用于超导量子位系统的稀释制冷机中的俘获离子架构

技术领域

本公开总体上涉及超导器件，并且更具体地涉及超导量子位和俘获离子系统的集成。

背景技术

超导量子计算是量子计算机在超导电子电路中的实现方式。量子计算研究量子现象在信息处理和通信中的应用。存在量子计算的不同模型，并且最流行的模型包括量子位和量子门的概念。量子位是具有两种可能的状态但可以处于两种状态的量子叠加的位的概括。量子门是逻辑门的概括，然而该量子门描述了在给定其初始状态的情况下一个或多个量子位在该门被施加在它们上之后将经历的变换。不同量子现象(如叠加和纠缠)在经典计算的世界中没有类似物，并且因此可能涉及特殊结构、技术和材料。

近年来，量子技术的进步已经促进了量子位在包括超导量子位、离子以及其他的不同物理系统中的实施。虽然每个系统具有其自身的益处，但是每个系统在不容易集成的不同环境中操作。

发明内容

根据一个实施例，一种量子计算系统包括稀释制冷机，该稀释制冷机包括多个腔室。存在俘获离子计算设备，该俘获离子计算设备包括在稀释制冷机的多个腔室中的给定腔室中的第一组量子位。超导计算设备包括在稀释制冷机的多个腔室中的给定腔室内的第二组超导量子位。

在一个实施例中，第二组超导量子位是在一个嵌套在多个腔室的给定腔室内的混合腔室中。混合腔室可处于比给定腔室更低的温度。

在一个实施例中，混合腔室为10至20mK，并且给定腔室为100mK。

在一个实施例中，混合腔室进一步包括耦合到第二组超导量子位的多个滤波器和/或隔离器。

在一个实施例中，多个腔室嵌套并且包括外部真空屏蔽、嵌套在外部真空屏蔽中的第二腔室、嵌套在第二腔室中的第三腔室、嵌套在第三腔室中的第四腔室、对应于给定腔室并且嵌套在第四腔室中的第五腔室、以及对应于混合腔室的第六腔室。

在一个实施例中，外部真空屏蔽为约300K的屏蔽，第二腔室为约50K的屏蔽，第三腔室为约4K的屏蔽，第四腔室为约700至800mK的屏蔽，第五腔室为约100mK的屏蔽，第六腔室为约10至20mK的屏蔽。

在一个实施例中，给定腔室包括耦合至离子计算设备的离子阱的一个或多个光纤。

在一个实施例中，离子计算设备被容纳在铜(Cu)罐中。

在一个实施例中，铜罐被配置用于热和辐射屏蔽，并且包括用于光纤和离子束入口的一个或多个孔。

在一个实施例中，离子阱被锚定在第三腔室内部的静止凸缘上。

在一个实施例中，静止凸缘为700至800mK。

在一个实施例中，离子阱被锚定在一个4K的凸缘上。

在一个实施例中，离子阱被锚定在第五腔室的冷板上。

根据一个实施例，一种方法包括提供具有多个腔室的稀释制冷机。包括第一组量子位的俘获离子计算设备被容纳在稀释制冷机的多个腔室中的给定腔室中。包括第二组超导量子位的超导计算设备被提供在稀释制冷机的多个腔室中的给定腔室内。

在一个实施例中，第二组超导量子位被容纳在一个嵌套在多个腔室的给定腔室内的混合腔室中。

在一个实施例中，混合腔室在比给定腔室更低的温度下操作。

在一个实施例中，在大约300K处提供稀释制冷机的外部真空屏蔽。

在一个实施例中，多个腔室中的第二腔室以约50K的屏蔽来操作。

在一个实施例中，多个腔室中的第三腔室以约4K的屏蔽来操作。

在一个实施例中，多个腔室中的第四腔室以约700至800mK的屏蔽来操作。

在一个实施例中，多个腔室中的第五腔室以约100mK的冷板屏蔽来操作。

在一个实施例中，多个腔室中的第六腔室以约10至20mK的屏蔽来操作。

在一个实施例中，光纤耦合到给定腔室中的离子计算设备的离子阱。

在一个实施例中，离子计算设备被容纳在铜(Cu)罐中。

在一个实施例中，铜罐被配置用于热和辐射屏蔽。

在一个实施例中，为光纤和离子束入口提供一个或多个孔。

从以下将结合附图阅读的对其说明性实施例的详细描述，这些和其他特征将变得显而易见。

附图说明

附图是说明性实施例。它们没有示出所有实施例。另外或替代地，可使用其他实施例。可省略明显或不必要的细节以节省空间或用于更有效说明。一些实施例可用附加的组件或步骤和/或不用示出的所有组件或步骤来实践。当在不同的附图中出现相同的数字时，其指代相同或相似的部件或步骤。

图1示出了根据说明性实施例的量子计算系统的示例架构。

图2示出了根据说明性实施例的混合设置的架构，其包括在共用稀释制冷机中的超导量子计算机和离子俘获量子计算机。

图3描述了与说明性实施例一致的、将超导量子计算机与离子俘获计算机组合在共用的稀释制冷机中的示例过程。

具体实施方式

概述

在以下详细说明中，通过举例的方式阐述了许多具体细节以便提供对相关教导内容的透彻理解。然而，应当清楚的是，可以在没有此类细节的情况下实践本教导内容。在其他情况下，众所周知的方法、过程、部件和/或电路已经以相对高级别描述，而没有细节，以避免不必要地模糊本教导的方面。

虽然在本文中可使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，第一元件或嵌套腔室可以被称为第二元件或嵌套腔室，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不脱离举例实施例的范围。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任何和所有组合。

本文中参考理想化或简化实施方式(和中间结构)的示意图描述了示例性实施方式。因此，可预期由于例如制造技术和/或容差而产生的图示的形状的变化。因此，在图中示出的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不一定示出设备的区域的实际形状或比例，并且不限制范围。

应当理解，在不脱离由权利要求限定的精神和范围的情况下，可以使用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。实施例的描述不是限制性的。具体地，下文中描述的实施例的元件可以与不同实施例的元件组合。

如在此使用的，使用某些术语来指示什么可以被认为是理想化的行为，如“无损”、“超导体”、“超导”、“绝对零”，这些术语旨在覆盖可能不是准确理想的但对于给定应用来说在可接受的裕度内的功能性。例如，一定水平的损失或容差可以是可接受的，这样使得所得材料和结构仍可以被这些“理想化”术语提及。

本公开总体上涉及超导器件，并且更具体地涉及组合不同类型的量子技术的属性，即超导量子位和俘获离子。超导量子位提供了快速的栅极时间并且使其本身适合于可缩放的架构。然而，超导量子位典型地具有短的相干时间并且不提供一种有效的长期存储方式。此外，它们涉及特定的硬件开销，例如稀释制冷机。

相比之下，俘获离子提供与环境的低交互作用并且提供比超导量子位长得多的相干时间。然而，俘获离子具有较长的栅极时间。此外，俘获离子可能需要特定的硬件，例如激光或磁场，并且它们被浸没在超高真空中。例如，施加激光器以引起这些量子位状态之间的耦合(对于单量子位操作)或者内部量子位状态与外部运动状态之间的耦合(例如，对于量子位之间的纠缠)。

用于量子计算的两个显著任务涉及信息的处理和存储。在此的教导提供了混合架构，该混合架构涉及超导量子位以及俘获离子两者，由此为总体更有效的量子计算设备平衡两种技术的益处。在量子混合系统中，量子计算过程(诸如量子逻辑门)可以在一种技术中实现，而另一种技术可以被用于将信息存储更长的持续时间。然而，混合系统涉及不同挑战。超导量子位的大部分过程是在冷的环境中(例如，在低温腔室中)进行的，而量子位的微波信号最终是在室温下测量的。返回的/输出的微波信号的振幅和/或相位携带关于量子位状态的信息，例如该量子位是否已经移相到地还是处于激发状态。携带关于量子位状态的量子信息的微波信号通常是弱的(例如，在几个微波光子的数量级上)。为了用室温电子器件(即，在冷冻环境之外)测量该弱信号，低噪声量子限幅放大器(QLA)(如约瑟夫逊放大器和行波参数放大器(TWPA))可以用作该量子系统的输出处的前置放大器(即，第一放大级)来增强该量子信号，同时添加由量子力学指定的最小量的噪声，以便提高该输出链的信噪比。除了约瑟夫逊放大器之外，使用约瑟夫逊放大器或约瑟夫逊混频器的某些约瑟夫逊微波部件(如约瑟夫逊循环器、约瑟夫逊隔离器、以及约瑟夫逊混频器)可以用于可缩放的量子处理器中。

量子位系统可以包括耦合到该量子位的一个或多个读出谐振器。读出谐振器可以是传输线路，该传输线路在一侧包括到接地的电容连接，并且在另一侧短接到地(如对于四分之一波长谐振器)，或者可以具有到接地的电容连接(如对于半波长谐振器)，这导致传输线路内的振荡，其中这些振荡的谐振频率接近于该量子位的频率。例如，读出谐振器影响来自处于读出谐振器频率的控制/测量仪器的脉冲。该脉冲充当一种测量值，该测量值对该量子位去相干并且使其崩溃成“一”或“零”的状态，由此对该测量脉冲赋予相移。

在量子位之间可以有耦合谐振器，在此有时被称为耦合器谐振器或RIP总线，其允许将不同的量子位耦合在一起以便实现量子逻辑门。耦合谐振器通常在结构上类似于读出谐振器。然而，更复杂的设计是可能的。当量子位被实施为transmon时，耦合谐振器的每一侧通过充分接近于量子位(例如，其电容器)而被耦合(例如，电容性地或电感性地)到对应的量子位上。由于耦合谐振器的每一侧具有与对应的不同量子位的耦合，这两个量子位通过该耦合谐振器被耦合在一起。以此方式，在耦合的量子位之间的状态中存在相互依赖性，由此允许一个耦合谐振器使用一个量子位的状态来控制另一个量子位的状态。当两个量子位之间的相互作用使得二者的状态不能被独立地指定而是仅能够对整个系统指定时，发生纠缠。以此方式，两个量子位的状态被连接在一起，这样使得这些量子位之一的测量引起另一个量子位的状态崩溃。

总体上，在超导量子位中，随着温度降低，性能增加，例如通过减少剩余的热激发态量子位数量并且减少这些量子位过渡频率的热拓宽。因而，温度越低，超导量子处理器越好。超导量子位因此容纳在低温环境中。

相比之下，俘获离子典型地不在低温度低温环境(稀释制冷机)中操作。典型的俘获离子设备在室温下在超高真空腔室中或在小氦-4低温恒温器(cryostats)中操作。已知的是，与独立于离子种类的室温俘获离子相比，在大约～4K的俘获离子在相干性和门保真度方面表现更好。离子的制备通常通过在烘箱中加热原子源材料来进行，然后接着进行光离子化。

俘获离子量子计算机是一种量子计算机，其中可以使用电磁场将离子或带电原子颗粒限制并悬浮在自由空间中。量子位可以存储在每个离子的稳定的电子状态下。来自其的量子信息可以通过施加激光束在共享阱中通过离子的集体量化运动来传送。离子可以被激光冷却。在一个实施例中，俘获在超高真空中的离子与它们的环境具有弱相互作用，且可容易地用磁场引导。超导量子位提供了快速门并且非常适合于快速处理，例如量子处理器中的那些。

已经认识到，通过在混合架构中利用俘获离子和超导量子位两者的一些益处，可以开发量子处理器的网络。在一个实验设置中组合两个量子位实施例可以用作用于GHz到光和太赫兹频率之间的频率转换的优秀的测试床。因此，本文的教导提供了在普通稀释制冷机中协调两种技术的方法和系统。

在一个方面，在此的教导是基于申请人的洞察，即，将用于与计算元件相互作用的常规集成电路技术直接应用到超导量子电路(无论是涉及俘获离子还是超导量子位)可能因为俘获离子和量子电路所呈现的独特的挑战(这些挑战未在经典的计算架构中呈现)而是无效的。因而，本公开的实施例进一步基于以下认识：当评估常规集成电路技术对于构建超导量子电路和离子阱的适用性时，并且尤其是对于选择用于与这两种类型的量子位有效相互作用的方法和架构时，已经考虑了量子电路特有的问题。

示例架构

图1示出了符合说明性实施例的量子计算系统的示例架构100。该架构100包括量子处理器，该量子处理器包括在制冷单元的嵌套腔室120之一内的俘获离子(即，量子位)112和超导量子位114，该制冷单元可以是稀释制冷机110。稀释制冷机是一种低温设备，其提供连续冷却到典型地约10mK的温度。架构100的大部分物理体积是由于制冷单元110的大尺寸。为了达到系统操作的接近绝对零温度，制冷单元110可以使用He3-H4的混合物作为冷却剂。在一个实施例中，这些超导量子位112在一个腔室122中，该腔室122进一步嵌套在共用腔室120中，由此允许这些超导量子位处于比这些俘获离子112的温度低的一个温度。稀释制冷机110的嵌套腔室202至212中的每个提供逐渐更冷的环境，稍后更详细地讨论。

在一个实施例中，存在制冷单元110外部的测量和控制单元130。该测量和控制单元130能够通过多个微波携带同轴电缆和DC控制线与量子计算系统进行通信，这些同轴电缆和DC控制线从稀释制冷机的最低温度级延伸到测量和控制单元的外部。将理解的是，虽然示出了单条线，但它不仅表示一根导线而且表示用于离子俘获设置和用于超导量子位设置的多个连接器。在各种实施例中，连接器具有多种类型：微波、DC、光纤。

对于离子俘获控制，添加从冷板延伸到稀释制冷机外部的一系列光纤。同轴电缆和光纤两者都被气密地密封在制冷机的顶部，从而将运行中的低温恒温器的环境大气压与真空压力分开。

本文中的教导可应用于各种应用，包括但不限于具有存储器节点的量子处理器的网络、以及在THz光学通信与GHz通信域之间的量子换能和量子计算应用。

示例框图

图2示出了与说明性实施例一致的混合设置200的架构，该混合设置包括在共用的稀释制冷机中的超导量子计算机和离子俘获量子计算机。混合架构200处于冷藏环境中，所述冷藏环境可以是稀释制冷机。冷藏环境包括多个嵌套的腔室204、206、208、210和212，每个腔室提供从稀释制冷机200外部的室温201到混合腔室212中的大约10至20mK的逐渐更冷的环境。

在一个实施例中，存在外部真空屏蔽202。外部真空屏蔽202在本文中有时被称为第一腔室，其容纳嵌套腔室204至212。第二腔室204是50K的屏蔽，由此将其内容物保持在大约40-50K。第三腔室206是4K屏蔽，由此将其内容物保持在大约3.5至4K。第四腔室208包括静止屏蔽/腔室，其为约700至800mK。第五腔室210包括在大约100mK的冷板(CP)凸缘220。

第五腔室210包括离子阱224以及用于离子的检测系统。检测系统可以是安装在XYZ定位器上的光纤226，其以微米精度控制移动。离子阱224安装在稀释制冷机的冷板凸缘上。在一个实施例中，离子阱224和光纤226在补充的铜(Cu)屏蔽222中，该屏蔽涂覆有超导材料，在此有时被称为铜罐。在冷板的温度下，在第五腔室210中进行离子检测。这些超导量子位被热化到该混合板上并且被寄放在该第六腔室212(在此有时被称为混合腔室)的内部。第五腔室210处于高于嵌套混合腔室212的温度。在一个实施例中，经由位于离子阱224下方的光纤226来执行离子检测。在不同实施例中，执行离子检测的离子阱可以被锚定在约100mK的第五腔室210的冷板上或在第六(即，混合)腔室212。在另一个实施例中，离子阱224可以被锚定在CP静止凸缘220上。

产生离子并且将其从静止凸缘220蒸发到离子阱224上。在一个实施例中，存在围绕离子阱224的铜(Cu)屏蔽222，在本文中有时称为铜罐。铜屏蔽222被配置用于热和辐射屏蔽。铜屏蔽222可包括用于配线的孔(例如，光纤和离子束入口、DC等)。在一个实施例中，该铜屏蔽可以涂覆有超导层。在不同实施例中，铜屏蔽222可安装在冷板屏蔽和静止屏蔽上。

离子蒸发烘箱可以被锚定在静止凸缘220或4K凸缘上，其中冷却功率更高。离子经由毛细管被引导朝向俘获区域(离子阱224)。可以使用光纤226或用于离子量子位控制和检测的自由空间将激光束聚焦朝向离子阱224。用于限制离子的均匀磁场是由超导材料制造的并且锚固在222铜屏蔽内部的离子阱周围的亥姆霍兹线圈产生的。在一个实施例中，在该光纤或其他检测实施例将安装在一个低温定位器上的情况下，该低温定位器可以允许在水平x、y或竖直z上以微米尺寸精度进行精确移动，低温定位器可以用于移动该设置的离子检测部分。用于检测设置的离子阱下方的紧密接近位置将大大提高离子检测效率。在另一个实施例中，可以使用在100mK至300mK的温度下操作的高效单光子检测器进行检测。一些类型的检测器是低温纳米线检测器、过渡边缘传感器或动力学电感检测器。这些类型的检测器可安装在冷板下方并锚定在混合板的顶部上，或可安装在从冷板悬挂的支架上。

如上所述，第六(混合)腔室212容纳超导量子位和相关联的微波控制/滤波电路。在一个实施例中，第六腔室212中的量子位234被耦合到用于微波控制的其他部件上，例如定向耦合器、滤波器、隔离器、衰减器、循环器、放大器、以及超导量子位234的其他支持电路，由框230和232表示。该设置的架构200是模块化的，因为该超导量子位量子处理器被保持在低温腔室212并且远离来自该离子阱224的可能的有害辐射。

在图2的混合架构200中，超导量子位量子计算机(由量子位234和支持电路230和232表示)和离子俘获量子计算机(由离子阱224和光纤226表示)可以在相同的低温环境(例如，腔室208)中被控制和起作用。如以上所讨论的，低温下(例如，＜1K)的低温离子捕获设置可以产生寿命更长的量子位，这些量子位具有更高保真度和量子效率的栅极。架构200通过将超导量子位234定位在离子阱224的紧密附近而以更高的效率提供了直接的离子量子位检测(通过光纤226)。在一个实施例中，所检测的光子可以被引导朝向一个频率转换设置并且被转换成微波辐射，该微波辐射可以用于例如同一架构内的超导量子位控制。

示例过程

利用示例架构的前述概述，现在考虑示例过程的高级讨论可以是有帮助的。为此，图3呈现了与将超导量子位和俘获离子系统整合在同一稀释制冷机中相关的说明性过程。

在框302处，稀释制冷机设置有多个腔室。这些腔室中的每一个均嵌套，其中，嵌套越深，温度逐渐越低。

在框304处，包括第一组量子位的俘获离子计算设备被容纳在稀释制冷机的多个腔室中的给定腔室中。

在框306处，将包括第二组超导量子位的超导计算设备放置在稀释制冷机的多个腔室中的给定腔室内。通过将超导计算设备紧邻俘获离子计算设备放置在同一稀释制冷机中，可以为量子计算和通信应用开发一种混合架构。

结论

已经出于说明的目的呈现了本传授内容的不同实施例的描述，但并不旨在是详尽的或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对本领域普通技术人员将是显而易见的。这里使用的术语被选择来最好地解释实施例的原理、实际应用或对在市场中找到的技术的技术改进，或者使得本领域普通技术人员能够理解这里公开的实施例。

虽然上文已描述了被视为最佳状态和/或其他实例的内容，但应理解，可在其中进行不同修改，且本文所公开的主题可在不同形式和实例中实施，且教示可应用于许多应用中，本文仅描述了其中的一些应用。所附权利要求旨在要求保护落入本传授内容的真实范围内的任何和所有应用、修改和变化。

在此已经讨论的部件、步骤、特征、目的、益处和优点仅是说明性的。它们以及与其相关的讨论都不旨在限制保护范围。虽然本文已经论述了各种优点，但是将理解，并非所有实施例都必须包括所有优点。除非另外说明，否则在本说明书(包括在以下权利要求书中)中阐述的所有测量、值、评级、位置、幅值、大小、以及其他规范都是近似的、不精确的。它们旨在具有与它们有关的功能以及与它们所属领域惯用的功能相一致的合理范围。

还构想了许多其他实施例。这些包括具有更少的、附加的和/或不同的部件、步骤、特征、目的、益处和优点的实施例。这些还包括部件和/或步骤被不同地安排和/或排序的实施例。

本文中参考根据本公开的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或框图来描述本公开的各方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可被提供给适当配置的计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现在流程图和/或框图的或多个框中指定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储媒质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置、和/或其他设备以某种方式工作，从而，其中存储有指令的计算机可读存储媒质包括包含实现流程图和/或框图中的或多个方框中规定的功能/动作的方面的指令的制造品。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理装置、或其他设备上，使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的处理，使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的或多个方框中规定的功能/动作。

本文中的图中的调用流程、流程图和框图示出了根据本公开的不同实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。对此，流程图或框图中的每个框可表示指令的模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些备选实现中，框中标注的功能可以不按照图中标注的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个块实际上可以基本上同时执行，或者这些块有时可以以相反的顺序执行。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作或执行专用硬件与计算机指令的组合的专用的基于硬件的系统来实现。

尽管已经结合示例性实施方式描述了上述内容，然而，应当理解的是，术语“示例性的”仅意味着作为实例，而非最佳或者最佳。除了以上立即陈述的之外，已经陈述或展示的任何内容都不旨在或应该被解释为引起任何部件、步骤、特征、对象、益处、优点的奉献或与公众等效，而不管它是否在权利要求中陈述。

应当理解，本文所使用的术语和表达具有普通含义，如对于它们相应的相应查询和研究领域的这些术语和表达所赋予的，除非本文另外阐述具体含义。诸如第一和第二等之类的关系术语可仅用来将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开来，而不必要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际此类关系或次序。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”或其任何其他变型旨在覆盖非排他性的包括，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或装置不仅仅包括那些要素，而且还可以包括未明确列出的或对此类过程、方法、物品或装置固有的其他要素。在没有进一步限制的情况下，由“一个”或“一种”开始的元件不排除在包括该元件的过程、方法、物品或装置中存在另外的相同元件。

提供本公开的摘要以允许读者快速确定本技术公开的性质。在理解其不用于解释或限制权利要求的范围或含义的情况下提交。此外，在以上具体实施方式中，可以看出，出于精简本公开的目的，各个特征在各个实施方式中被组合在一起。本公开的该方法不应被解释为反映所要求保护的实施例具有比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明主题在于少于单个公开的实施例的所有特征。因此，以下权利要求由此并入详细说明中，其中每个权利要求独立地作为单独要求保护的主题。