[发明专利]一种长退相干时间的超导量子比特存储方法与装置

说明书

本发明公开了一种长退相干时间的超导量子比特存储装置和方法。其中，所述装置包括：四分之一波长超导谐振腔，一端设有超导量子比特安装槽的介质杆，束管，耦合天线，以及两个安装板等。本发明首次将四分之一波长超导谐振腔应用在超导量子计算中，创造性的解决了量子比特样品与三维超导腔耦合时将三维超导腔品质因数下降的问题，把超导量子计算向前推进一步。

技术领域

本发明涉及超导量子计算，具体涉及一种超导量子比特与超导腔耦合时能够保持超导量子比特具有长寿命同时又能保持超导腔具有高品质因数(10⁹及以上)的方法和装置。

背景技术

量子比特作为量子计算的基本单元，其物理实现的方式主要包括核磁共振，离子阱，半导体量子点，光量子及超导量子电路等。作为一种固态宏观量子电路，超导量子电路采用超导量子比特为基本单元，超导量子比特以超导约瑟夫森结为代表，其制备工艺与半导体相兼容，工艺成熟，易于集成，具有较强的相互耦合强度与可扩展性，非常有希望成为量子计算的物理实现。制约超导量子计算最主要的因素是超导量子比特的退相干时间较短，近年来，随着各种技术的发展及研究的深入，超导量子比特的相干时间大幅延长，已经达到ms量级，从而可以实现超导量子比特的存储，进而用于量子计算。在近期的研究中，国内外的科学家已经开始研究应用于超导量子计算的高品质因数超导腔。

利用新设计的TESLA型三维椭球腔用于超导量子计算的实验中，我们发现超导腔的品质因数(Q₀)可以达到10¹⁰，相对于原来在量子计算中大量应用的三维矩形腔，其品质因数已经有4个量级的提高，从理论上可以将量子比特的退相干时间提高两到三个量级至秒量级(详见在先申请CN110288092A)。而矩形三维腔在裸腔时其品质因数最大仅为10⁶，理论上其退相干时间只能达到ms量级。

为了使该类型的结构得到应用，我们研究在三维椭球超导腔插入超导量子比特样品后的实验结果，发现超导腔会与超导量子比特样品相互作用，其品质因数由10¹⁰下降到10⁶，这将使超导腔的高品质因数优势无法发挥。原因可能是超导量子比特样品的进入与超导腔中的电磁场相互作用，从而导致超导腔的品质因数下降。因此，我们需要研究超导量子比特样品如何与三维超导腔耦合，既能保证超导量子比特样品的寿命，又可以保持超导腔的高品质因数不受超导量子比特样品及其支撑机构的影响。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种保持高品质因数的超导量子比特存储的新方法及其装置。其改变了原来的三维椭球腔腔形，改成三维四分之一波长谐振腔腔形，腔的形状、工作频率、耦合方式等方面与原来椭球腔均有本质区别。同时该方法从微波短路的原理出发，放置超导量子比特样品的介质杆与三维四分之一波长腔的束管设计成微波短路结构，这样从四分之一波长谐振腔中漏出来的微波会在介质杆上形成全反射，从而使消耗在介质杆上的微波功率为0，从原理上将影响腔品质因数的因素降低为0，因而在将超导量子比特样品传输至三维四分之一波长超导腔内部时腔的品质因数也不会有任何降低，仍然可以保持在10¹⁰量级。