[发明专利]使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊开关的频率复用微波信号的选择性切换

说明书

级联选择性微波开关(级联体)包括约瑟夫逊器件的集合，该集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的相应操作带宽，其中不同的操作带宽具有不同的相应中心频率。串联耦合形成在来自该集合的第一约瑟夫逊器件与来自该集合的第n约瑟夫逊器件之间。该串联耦合使得处于断开状态的第一约瑟夫逊器件将来自频率复用微波信号(复用信号)的第一频率的信号反射回第一约瑟夫逊器件的输入端口，并且使得处于闭合状态的第n约瑟夫逊器件将复用信号中的第n频率的信号从第n约瑟夫逊器件的输入端口透射到第n约瑟夫逊器件的输出端口。

技术领域

本发明总体上涉及对于在量子计算中可与超导量子比特一起使用的频率复用微波光开关的器件、制造方法和制造系统。更具体地说，本发明涉及一种用于使用非重叠带宽中的级联多路干涉约瑟夫逊开关(cascading multi-path interferometric Josephsonswitch)来选择性切换频率复用微波信号的器件、方法和系统，其中该开关基于非简并三波混频约瑟夫逊器件。

背景技术

在下文中，短语单词中的“Q”前缀表示该单词或短语在量子计算上下文中的引用，除非在使用时明确区分。

分子和亚原子粒子遵循量子力学定律，量子力学是物理学的一个分支，探索物理世界如何在最基本的层面上工作。在这个层面上，粒子以奇怪的方式运行，同时呈现出一种以上的状态，并与非常遥远的其他粒子相互作用。量子计算利用这些量子现象来处理信息。

我们今天使用的计算机被称为经典计算机(本文也称为“传统”计算机或传统节点或“CN”)。传统计算机使用通过使用半导体材料和技术制造传统的处理器，半导体存储器，以及磁性或固态存储设备，这就是众所周知的冯诺依曼体系结构。特别地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。

量子处理器(q-处理器，quantum processor)利用纠缠的量子比特器件(在本文紧凑地称为“量子比特”，复数“多个量子比特”)的奇性(odd nature)来执行计算任务。在量子力学运作的特定领域，物质粒子可以以多种状态存在——诸如“开”状态、“关”状态以及同时“开”和“关”状态。在使用半导体处理器的二进制计算仅限于使用开和关状态(相当于二进制代码中的1和0)的情况下，量子处理器利用物质的这些量子状态来输出可用于数据计算的信号。

传统计算机用比特来编码信息。每个比特可以取值1或0。这些1和0充当最终驱动计算机功能的开/关开关。另一方面，量子计算机是基于量子比特的，量子比特根据量子物理学的两个关键原理运作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子比特可以同时代表1和0。纠缠意味着处于叠加的量子比特可以以非经典的方式相互关联；也就是说，一个量子比特的状态(无论是1还是0或者两者都是)取决于另一个量子比特的状态，并且当两个量子比特纠缠在一起时，可以确定的信息比单独处理它们时要多。

利用这两个原理，量子比特作为更复杂的信息处理器运行，使量子计算机能够以某种方式运行，从而允许它们解决传统计算机难以解决的难题。IBM已经成功地构建并演示了使用超导量子比特的量子处理器的可操作性(IBM是在美国和其他国家的国际商用机器公司的注册商标)。

超导量子比特包括约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是通过用非超导材料隔离两个薄膜超导金属层而形成的。当超导层中的金属被变成超导时，例如通过将金属的温度降低到特定的低温温度，电子对可以从一个超导层通过非超导层隧穿到另一超导层。在量子比特中，约瑟夫逊结(其用作分散非线性电感器)与形成非线性微波振荡器的一个或多个电容性器件并联电耦合。振荡器具有由量子比特电路中的电感和电容的值确定的谐振/跃迁频率。对术语“量子比特”的任何引用是对采用约瑟夫逊结的超导量子比特电路的引用，除非在使用时明确地进行区分。

由量子比特处理的信息以微波频率范围内的微波信号/光子的形式被携带或传输。捕获、处理和分析微波信号，以便解密在其中编码的量子信息。读出电路是与量子比特耦合的电路，用于捕获、读取和测量量子比特的量子态。读出电路的输出是可由q处理器使用以执行计算的信息。