[发明专利]一种量子计算机

说明书

一种量子计算机，包括：准一维布局的超导量子比特阵列、操控电路与读取电路；其中，超导量子比特阵列包括：两个或两个以上呈网链状排列的网状单元；操控电路，与超导量子比特间通过微波传输线进行耦合，用于通过预设方式操控超导量子比特；读取电路，由读取用共平面超导微波谐振腔耦合于一路微波信号线，与外电路连接，用于，采用频分复用方式读取超导量子比特的量子态。本发明实施例降低了量子计算机的硬件资源消耗。

技术领域

本文涉及但不限于计算机技术，尤指一种量子计算机。

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。相比传统计算机，量子计算机在解决一些特定问题时运算效率可大幅提高，因而受到广泛关注。超导量子芯片可以利用现有的半导体工艺技术实现大规模的集成，同时，超导量子比特在相互作用控制、选择性操作以及纠错等进行量子计算所需要的关键性指标方面展现出较其他物理体系更为优越的性能，是最有希望实现量子计算机的平台之一。

一般而言，量子计算机主要包括超导量子芯片和用于芯片控制和测量的硬件系统，硬件系统主要包括各种微波频段的信号发生器和配备微波传输线的稀释制冷机。量子计算机的关键技术是对超导量子芯片上量子比特状态的精密操控和准确测量，超导量子比特的本征能量处于吉赫兹(GHz)的微波波段，实现量子门操作和量子态的读取需要对超导量子比特施加特定相位、幅度和持续时间的脉冲微波信号，故而超导量子计算机需要大量GHz微波频段的信号源和GHz采样率的任意波形信号调制。另外，超导量子比特需要保持在毫开尔文的温度下降低热噪声以长时间的维持超导量子比特的相干状态，一般选择使用稀释制冷机为超导量子芯片提供低温环境。稀释制冷机需要配备微波传输线，将室温制备的微波信号传递给处于低温状态的超导量子比特。

硬件资源可能成为限制量子计算机发展的一个瓶颈。一方面，GHz频段的信号发生器和GHz采样率的任意波形发生器均属于比较昂贵的电子设备；另一方面，受稀释制冷机制冷功率和可用空间的限制，用于传递微波信号的同轴电缆路数也不可能非常大(一般为10-100路)，因此，随着量子比特数目的增加，量子计算机对硬件资源的需求可能超出实际情况。

以下通过一个常见的超导量子比特设计方案对硬件资源的需求，对量子计算机规模化发展产生的可能限制进行示例说明。目前常见的超导量子芯片中，每个超导量子比特一般会预留两个端口分别用于施加微波脉冲信号和直流脉冲偏置实现对目标量子态的XY控制和Z控制，进而实现完备的单量子比特逻辑门和双量子比特逻辑门。将这些量子比特逻辑门操作按照特定的时序排列起来即可以实现各种量子算法和完成通用量子计算任务。下面简单分析相关技术中对于单个超导量子比特读取和操控所需的硬件资源。XY控制信号一般是特定频率、强度、相位和包络的微波脉冲信号，生成这样的脉冲需要一路GHz信号源、GHz采样率任意波形发生器的两个模拟信号端口、混频器、微波开关等设备和元件。Z控制信号理想情况下是一个直流脉冲，但是为了实现高保真度量子操作，需要考虑到线路的时间响应，实际输出的脉冲信号一般是一个比较复杂的波形，需要任意波形发生器的一个模拟信号端口生成该信号。同时，对超导量子比特量子态的读取需要借助与之耦合的微波谐振腔进行非破坏性测量，需要一路GHz信号源和GHz采样率任意波形发生器的两个模拟信号端口。所以，每个超导量子比特需要两路GHz信号源、任意波形发生器的五个模拟信号端口和一个数字信号端口用于量子态操控和读取，以及至少四条稀释制冷机内的微波传输线用作信号传输。可以预见，随着超导量子比特数目的增多，量子计算机所需的硬件资源将线性增长，硬件成本的增长会成为限制量子计算机发展的瓶颈。因此，如何设计实现低成本量子比特测控方案和合理的量子芯片是实现可扩展大规模量子计算机时需要解决的问题。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供一种量子计算机，能够降低量子计算机的物理资源消耗。

本发明实施例提供了一种量子计算机，包括：准一维布局的超导量子比特阵列、操控电路与读取电路；其中，