[发明专利]量子比特控制装置

说明书

本申请公开了一种量子比特控制装置，包括控制信号发生器，N个光电探测器、量子芯片和屏蔽装置，N为大于1的正整数；所述控制信号发生器位于第一温区，用于产生N路光控制信号，将所述N路光控制信号分别发送给位于所述屏蔽装置内的所述N个光电探测器，其中，所述屏蔽装置内部处于真空状态；所述N个光电探测器位于温度低于第一温区的第二温区，用于将接收到的所述光控制信号转变成电控制信号，把所述电控制信号发送给位于所述屏蔽装置内的所述量子芯片，进行量子比特操控。本申请采用光控制信号进行传输，由于光纤导热系数小，第一温区向第二温区的热量传递均将大幅降低，同样制冷功率下，可以支持更多路控制信号，支持系统扩容。

技术领域

本申请涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种量子比特控制装置。

背景技术

量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备，由于量子态的叠加特性使得大规模“并行”计算成为可能，故引起广泛关注。量子计算机不同于电子计算机(或称传统计算机)，量子计算用来存储数据的对象是量子比特，它使用量子算法来进行数据操作。量子比特就好比传统计算机上的半导体逻辑门，量子比特数目越多，其并行加速能力就越强，对于相同的问题其求解速度就越快。量子比特的构建有多种物理体系均可实现，比如超导电路、离子阱、半导体量子点、拓扑量子计算等。不同体系各有优点，但从已实现的可操控量子比特数目来看，目前超导电路体系是比较优选的体系。

超导量子计算的基本单元是超导量子电路，其需要工作在超低温环境，约10至20mK(Kelvins，开尔文)超低温可以有效降低环境噪声带来的影响。目前常用的制冷设备是稀释制冷机，其有采用分级制冷技术，在极低温区利用氦元素在的相变吸热进行进一步的制冷，得到最低温区。图1展示了常见的稀释制冷机的基本结构及每个冷盘的预期温度，在最低温区的冷盘需要达到约10至20mK的温度。

为了操控最底层的量子比特，需要有电信号通入最底层的混合室(MixedChamber，MXC)。这些控制信号所走的信号线会逐层通过不同的冷盘，在每个冷盘处进行降温，以减少对MXC的传热。每路控制信号传导至最底层的量子芯片时其功率已经低至-120dBm到-130dBm左右，即便是上千路控制信号在芯片处产生的热量相比于冷盘的制冷功率都是可以忽略不计的。且稀释制冷机在屏蔽装置内部是抽真空的，桶壁向内基本只有热辐射。因此，控制信号线的热传导就是整个冷盘的最大输入热源。

不难理解，单根控制信号线的热传导功率与线缆材料、接触面积、长度以及温差相关，而总的传热功率正比于控制信号线的数量。且目前每个量子比特均需要至少一根控制信号线。所以，在某一稀释制冷机结构下，其可支持的超导量子比特数量是有限的。当随着量子比特数目增加，使得某个冷盘上经受的热传导功率大于其制冷功率时，量子比特数目就无法再增长了。目前常见商用稀释制冷机下，其制冷功率可容许约330根信号线，这个数量对于目前的超导量子比特数量(＝72)是足够的，但考虑到未来的扩容需求，以及现在超导量子芯片上量子比特数目提升非常迅速的现状，当前的制冷功率显然是不够用的，会极大地限制可操控量子比特数的增长，影响系统扩容。

发明内容

本申请的目的在于提供一种超导量子比特控制装置，解决了现有制冷功率不够导致地无法支持系统扩容的问题。

第一方面，提供一种量子比特控制装置，包括控制信号发生器，N个光电探测器，量子芯片和屏蔽装置，N为大于1的正整数；所述控制信号发生器位于第一温区，用于产生N路光控制信号，将所述N路光控制信号分别发送给位于所述屏蔽装置内的所述N个光电探测器，其中，所述屏蔽装置内部处于真空状态；所述N个光电探测器位于第二温区，用于将接收到的所述光控制信号转变成电控制信号，把所述电控制信号发送给位于所述屏蔽装置内的所述量子芯片，其中，所述第二温区的温度低于所述第一温区；所述量子芯片位于所述第二温区，用于根据收到的N路所述电控制信号，对量子芯片中的量子比特进行操控。