[发明专利]超导量子电路及其制备方法

说明书

本发明提供一种超导量子电路，其包括量子比特和耦合至所述量子比特的至少一个阶跃阻抗谐振腔，所述阶跃阻抗谐振腔包括第一传输线和第二传输线，所述第一传输线的特征阻抗不同于所述第二传输线的特征阻抗。本发明的超导量子电路占用面积小，有利地促进了超导量子计算技术的发展。

技术领域

本发明属于超导量子计算领域，尤其涉及超导量子电路及其制备方法。

背景技术

高品质因数的谐振腔是超导量子电路中的关键要素之一。共面波导型谐振腔由于其紧凑的结构、灵活而简单的设计、易于与超导量子比特耦合、易于扩展等优势，在超导量子计算和电路量子电动力学研究中得到了广泛的应用。尽管共面波导型谐振腔的内部品质因数不如目前最高水平的三维谐振腔，但通过良好的材料和微加工工艺控制，其单光子水平下的内部品质因数能够达到百万以上的水平，能够满足高水平量子测量的要求。在最近的科学报道中，共面波导谐振腔被用于9个超导量子比特的高保真读出并演示了一维表面编码量子纠错算法，成为超导量子计算技术的一个重大进展，为未来实现真正意义上的量子计算机奠定了技术基础。

目前的超导量子电路中，普遍采用的共面型波导谐振腔是均匀阻抗谐振腔(Uniform impedance resonator，以下简称UIR)，它由一段单端或两端开放的共面波导传输线构成。UIR的长度最小需要λ/4，其中λ为谐振频率对应的波长，对于超导量子计算常用的频段(4-8GHz)，UIR的最小长度大约在1cm的尺度。这个尺寸是远大于典型的超导量子比特尺寸的。通过适当弯折可以减小UIR的面积占用，即使如此，目前的超导量子计算结构中，谐振腔仍然是最占用面积的关键元件之一。随着超导量子计算技术的发展，未来要求越来越多的量子比特集成在一起，因此，量子比特、读出谐振腔、控制线等关键元件的排布将成为一项挑战。减小各个组件的面积占用对多比特集成至关重要。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种超导量子电路，其包括量子比特和耦合至所述量子比特的至少一个阶跃阻抗谐振腔，所述阶跃阻抗谐振腔包括第一传输线和第二传输线，所述第一传输线的特征阻抗不同于所述第二传输线的特征阻抗。

根据本发明的超导量子电路，优选地，所述至少一个阶跃阻抗谐振腔用作读出谐振腔和/或耦合谐振腔和/或存储谐振腔。

根据本发明的超导量子电路，优选地，所述读出谐振腔的一端耦合至所述量子比特，另一端耦合至读出传输线或者带通滤波器。

根据本发明的超导量子电路，优选地，所述读出谐振腔的一端通过一个电容耦合至所述量子比特，另一端通过另一电容耦合至读出传输线或者带通滤波器。

根据本发明的超导量子电路，优选地，所述量子比特还耦合至另一个用作存储谐振腔的阶跃阻抗谐振腔。

根据本发明的超导量子电路，优选地，多个所述量子比特通过用作耦合谐振腔的阶跃阻抗谐振腔彼此耦合。

根据本发明的超导量子电路，优选地，所述第一传输线和所述第二传输线分别由超导薄膜材料制备。

根据本发明的超导量子电路，优选地，所述第一传输线和所述第二传输线设置在低介电损耗的绝缘介质衬底上。

本发明还提供了一种超导量子电路的制备方法，包括：

步骤一：在绝缘介质衬底上制备超导材料导电层；

步骤二：基于所述超导材料导电层制备阶跃阻抗谐振腔，所述阶跃阻抗谐振腔包括第一传输线和第二传输线，所述第一传输线的特征阻抗不同于所述第二传输线的特征阻抗；

步骤三：将所述阶跃阻抗谐振腔与量子比特耦合以制备超导量子电路。

根据本发明的超导量子电路的制备方法，优选地，所述绝缘介质衬底为蓝宝石衬底，以及所述超导材料导电层为铝、铌、氮化铌、氮化钛或铌钛氮薄膜层。