多超导量子比特中任意两个比特耦合的方法及其系统

摘要

本申请涉及一种多超导量子比特中任意两个比特耦合的方法及其系统。应用于具有多超导量子比特阵列以及能够实现自旋波的磁性薄膜材料的场合下，包括：将磁性薄膜材料设置于多超导量子比特阵列下方；通过磁性薄膜材料中磁畴磁化方向的组合，以形成多个供自旋波通过的通道；多超导量子比特阵列中的量子比特对应设置于自旋波通过的通道上方，以实现单个量子比特与自旋波的耦合；自旋波通道上设有至少两个量子比特，通过单个量子比特与自旋波之间的耦合以实现两个量子比特之间的耦合。上述方法利用磁性薄膜材料层来传递超导量子比特层的量子比特的状态变化，同时利用自旋波的软连接，以实现任意两个超导量子比特的耦合。

说明书

技术领域

本申请涉及超导量子领域，特别是涉及一种多超导量子比特中任意两个比特耦合的方法。

背景技术

超导量子比特以其在可控性、低损耗以及可扩展性等方面的优势被认为是最有希望实现量子计算机的固态方式之一。量子比特之间的相干可控耦合是实现大规模的量子计算的必要条件。

目前，公知的超导量子比特之间的耦合是通过电容、电感，或者超导约瑟芬森结进行的。这样的耦合方式需要固定的布线去连接(硬连接)需要耦合的两个量子比特，这种方法会受到空间的制约，并且只能实现一个超导量子比特附近的几个比特，或者几个远程的比特之间的耦合。而我们在量子计算和量子信息的应用中，往往需要实现多个量子比特之间任意两个的耦合，以硬连接的方式是无法实现的。

申请内容

基于此，有必要针对以硬连接的方式是无法实现多个量子比特之间任意两个的耦合问题，提供一种多超导量子比特中任意两个比特耦合的方法及其系统。

一种多超导量子比特中任意两个比特耦合的方法，应用于具有多超导量子比特阵列以及能够实现自旋波的磁性薄膜材料的场合下，包括：

将所述磁性薄膜材料设置于所述多超导量子比特阵列下方；

通过所述磁性薄膜材料中磁畴磁化方向的组合，以形成多个供所述自旋波通过的通道；

所述多超导量子比特阵列中的量子比特对应设置于所述自旋波通过的通道上方，以实现单个所述量子比特与所述自旋波的耦合；

所述自旋波通道上设有至少两个所述量子比特，通过单个所述量子比特与所述自旋波之间的耦合以实现两个所述量子比特之间的耦合。

上述多超导量子比特中任意两个比特耦合的方法，采用磁性薄膜材料层和超导量子比特层上下两层重叠的结构，利用磁性薄膜材料层的自旋波来传递超导量子比特层的量子比特的状态变化。最终达到利用超导量子比特和自旋波的耦合同时利用自旋波的软连接，实现了任意两个超导量子比特的耦合。

在其中一个实施例中，通过改变所述磁性薄膜材料中磁畴磁化方向的组合以改变所述自旋波通过的通道。

在其中一个实施例中，所述自旋波至少包括第一自旋及第二自旋；所述第一自旋对应作用于所述多超导量子比特阵列中的第一量子比特，所述第二自旋对应作用于所述多超导量子比特阵列中的第二量子比特。

在其中一个实施例中，所述第一自旋与所述第一量子比特之间实现耦合；所述第二自旋与所述第二量子比特之间实现耦合；所述第一量子比特与所述第二量子比特通过所述自旋波实现耦合。

在其中一个实施例中，通过调节所述自旋波内的第一自旋及第二自旋的数密度以调节所述超导量子比特线圈与所述自旋波的耦合能量。

在其中一个实施例中，通过调节所述超导量子比特线圈与所述磁性薄膜材料的竖直距离以调节所述超导量子比特线圈与所述自旋波的耦合能量。

在其中一个实施例中，通过调节所述超导量子比特线圈与所述磁性薄膜材料的竖直距离以调节所述超导量子比特线圈与所述自旋波的耦合能量。

在其中一个实施例中，所述自旋波通过的通道两侧的磁化方向相反以使整体磁通为零。

一种量子比特耦合系统，包括：

多超导量子比特阵列，所述多超导量子比特阵列包括多个量子比特线圈；

磁性薄膜材料，所述磁性薄膜材料通过磁畴间的磁畴壁作为波导以形成自旋波通道；

驱动装置，用于向所述磁性薄膜材料外加磁场，驱动处于所述自旋波通道内的自旋波；

所述多超导量子比特阵列、所述磁性薄膜材料与所述驱动装置在竖直方向上依次设置。

在其中一个实施例中，所述磁性薄膜材料被划分为多个磁畴单元，所述磁畴单元的磁化方向通过所述驱动装置改变。

附图说明

图1为本申请实施例提供的量子比特耦合的方法流程图；

图2为本申请实施例提供的磁性薄膜材料与比特阵列的俯视示意图；

图3为本申请实施例提供的磁性薄膜材料与比特阵列的侧视示意图；

图4为本申请实施例提供的自旋波内单个自旋与量子比特的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的耦合强度变化的曲线图；

图6为本申请实施例提供的量子比特耦合系统示意图。

其中，

磁性薄膜材料 100

第一自旋 101

第二自旋 102

超导量子比特阵列 200

第一量子比特 201

第二量子比特 202

驱动装置 300

具体实施方式

为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

请参见图1，本申请提供一种多超导量子比特中任意两个比特耦合的方法，该方法适用于具有多超导量子比特阵列200及能够实现自旋波的磁性薄膜材料100的场合下。所述方法具体包括以下步骤：

S100将磁性薄膜材料100设置于所述多超导量子比特阵列200下方；

S200通过磁性薄膜材料100中磁畴磁化方向的组合，以形成多个供自旋波通过的通道；

S300多超导量子比特阵列200中的量子比特对应设置于所述自旋波通过的通道上方，以实现单个所述量子比特与所述自旋波的耦合；

S400自旋波通道上设有至少两个量子比特，通过单个量子比特与自旋波之间的耦合以实现两个量子比特之间的耦合。

于S100中，将所述磁性薄膜材料100设置于所述多超导量子比特阵列200竖直方向的下方，以通过所述磁性薄膜材料100对所述多超导量子比特阵列200中的多个量子比特进行耦合作用。

所述多超导量子比特阵列200由多个量子比特组成，所述多个量子比特由多个量子比特线圈形成，各个量子比特线圈的状态分别由外加线路对其进行控制。所述磁性薄膜材料100用于形成自旋波通道。所述磁性薄膜材料100可被划分为若干单元，每个单元为一个磁畴，且每单元的磁畴的磁化方向可以单独控制。

具体地，请参见图2。在磁性材料中，由于交换作用、磁晶各项异性以及磁偶极相互作用之间的竞争，系统为了降低总能量会自发形成方向各异的小型磁化区域，即磁畴，而相邻磁畴的过渡区域则为磁畴壁。通过理论计算表明，自旋波在磁畴壁中有一束缚态解，在仅考虑交换作用以及磁晶各项异性的情形下该自旋波模式的能隙为零，由于这种特性，磁畴壁即可作为自旋波通道用来传导自旋波。

于S200中，通过磁性薄膜材料100中磁畴磁化方向的组合，以形成多个供自旋波通过的通道。所述磁性薄膜材料100具备多个磁畴单元，而所述磁畴单元则具备自身特有的磁化方向，相邻磁畴单元的过渡区域形成了磁畴壁，即本申请中的自旋波通道，用于传导单个或多个自旋波。

进一步地，磁畴的形成可以通过外加磁场的方式进行控制，相邻磁畴间方向的相同与不同，可直接决定磁畴间是否存在磁畴壁。当相邻磁畴单元间的磁化方向不同时，才会存在磁畴壁，即自旋波通道。反之，则不存在磁畴壁。磁畴的排列方式不同，磁畴壁的排布也会发生相应改变。通过对磁畴的排列方式进行编辑，可以获得任意的自旋波导线分布方式，因此磁畴之间的是可重构的。

具体的，在磁性薄膜材料100下设置一个驱动装置300，用于对所述磁性薄膜材料100外加磁场，并驱动处于磁畴壁即自旋波通道内的单个或多个自旋波。

在一个实施例中，所述磁性薄膜材料100下所设置的驱动装置300为一个特定布线方式的电路板。

于S300中，所述多超导量子比特阵列200中的量子比特对应设置于所述自旋波通过的通道，以实现单个所述量子比特与所述自旋波的耦合。

请参见图3及图4，将所述多超导量子比特阵列200中的量子比特线圈设置于所述自旋波通道上，以实现利用自旋波通道上的自旋波与所述量子比特耦合的效果。通过调节磁性薄膜材料100中磁畴单元磁化方向的组合，能够定义自旋波可以行进的路径，从而使得在路径上的超导量子比特能够通过自旋波建立连接，从而耦合起来。

于S400中，所述自旋波通道上设有至少两个所述量子比特，通过单个所述量子比特与所述自旋波之间的耦合以实现两个所述量子比特之间的耦合。

请参见图3，所述自旋波通道上至少包括第一自旋101及第二自旋102，所述第一自旋101对应作用与所述多超导量子比特阵列200的第一量子比特201，所述第二自旋102对应于多超导量子比特阵列200中的第二量子比特202。进一步地，所述第一自旋101与所述第一量子比特201实现耦合，所述第二自旋102与所述第二量子比特202实现耦合。

在一个实施例中，当所述第一自旋101与所述第一量子比特201实现耦合，并且所述第二子璇与所述第二量子比特202实现耦合后。在超导量子比特层的第一量子比特201的状态变化，通过层间的耦合，作用到自旋波中的第一自旋101，然后通过自旋波按照自旋波通道特定的路径行进，将变化状态传递到第二自旋102，再通过层间的耦合，作用到第二量子比特202，这样就建立了第一自旋101与第二自旋102之间的相互作用，同时也建立了第一量子比特201与第二量子比特202之间的。而自旋波的行进路径，即自旋波通道的线路是可以通过调节磁性薄膜材料100中多个磁畴磁化方向的组合来控制，由此可实现任意两个量子比特的耦合。

在一个实施例中，一个量子比特能够与至少一个自旋波实现耦合，也可以与多个自旋波实现耦合。

请参见图4，在一个具体实施例中，单个量子比特线圈通过产生磁场作用到自旋波通道中的自旋。当一个半径为R＝1微米，超导极限电流为I＝100纳安的线圈中心，其磁场约为0.001高斯。这样的磁场在单个自旋上产生的能量约为1皮电子伏特，当超导量子比特线圈下设置有磁性薄膜材料100，单个超导量子比特线圈下能够容纳有1百万到1千万个自旋，其总体能量可以达到1-10微电子伏特，其能量与一个超导量子比特的两个量子态的能级差相当，所以这种超导量子比特线圈和磁性薄膜材料100的耦合能够改变超导量子比特的状态。同时已知自旋波的能量幅度在3000-10000微电子伏特之内，远大于耦合能量，并且能够传递这个耦合的能量。

进一步地，还可以通过以下手段能够调节耦合能量的大小：(1)调节磁性薄膜材料100中磁畴中自旋的数密度，(2)调整超导量子比特线圈和磁性薄膜材料100的距离，(3)调整磁性薄膜材料100中磁畴的极化方向或者磁化强度。

请参见图5，在一个实施例中，随着超导量子比特线圈与自旋波所在的平面的距离增大，所述量子比特线圈与所述自旋波之间的相互作用将会迅速衰减，可以通过两者的竖直距离来调节相互作用的大小。

在一个实施例中，通过超导量子比特的线圈覆盖在的自旋波两边的铁磁体磁化方向相反，使得整体磁通为零，不会破坏超导。为达到同样的目的，也可以将铁磁磁畴换成反铁磁，以避免强磁场破坏超导。

本申请所提供的多超导量子比特中任意两个比特耦合的方法，采用磁性薄膜材料100层和超导量子比特层上下两层竖直方向设置的结构，利用磁性薄膜材料100层的自旋波来传递超导量子比特层的量子比特的状态变化。最终达到利用超导量子比特和自旋波的耦合同时利用自旋波的软连接，以实现任意两个超导量子比特的耦合。同时还可以通过调节磁性薄膜材料100中磁畴中自旋的数密度，调整超导量子比特线圈和磁性薄膜材料100的距离，调整磁性薄膜材料100中磁畴的极化方向或者磁化强度等多种方法调节耦合能量的大小。又由于自旋波通道的行进路程能够通过调整磁畴单元的分布改变，进一步实现任意两个超导量子比特的耦合。

请参见图6，本申请还提供一种量子比特耦合系统，所述量子比特耦合系统包括竖直方向从上到下依次设置的多超导量子比特阵列200、磁性薄膜材料100以及驱动装置300。所述驱动装置300用于向所述磁性薄膜材料100外加磁场，驱动处于所述自旋波通道内的自旋波。

所述多超导量子比特阵列200由多个量子比特组成，所述多个量子比特由多个量子比特线圈形成，各个量子比特线圈的状态由外加电路控制并对其产生影响。所述磁性薄膜材料100用于形成自旋波通道。所述磁性薄膜材料100可被划分为若干单元，每个单元为一个磁畴，且每单元的磁畴的磁化方向可以单独控制。

在一个实施例中，所述磁性薄膜材料100用于形成自旋波通道。所述磁性薄膜材料100可被划分为若干单元，每个单元为一个磁畴，且每单元的磁畴的磁化方向可以单独控制。在磁性材料中，由于交换作用、磁晶各项异性以及磁偶极相互作用之间的竞争，系统为了降低总能量会自发形成方向各异的小型磁化区域，即磁畴，而相邻磁畴的过渡区域则为磁畴壁。通过理论计算表明，自旋波在磁畴壁中有一束缚态解，在仅考虑交换作用以及磁晶各项异性的情形下该自旋波模式的能隙为零，由于这种特性，磁畴壁即可作为自旋波通道用来传导自旋波。上述自旋波的极化方向如图3、4、6所示，垂直于超导量子比特线圈。需要说明的是，上述自旋波的极化方向也可以平行于上述超导量子比特线圈，只要能够使其两者之间产生耦合作用即可。

在一个实施例中，可在相邻磁畴单元间使用人工方法进行结构修饰，如制造沟槽等，用于将磁畴壁钉扎在磁畴单元的边界处。

在一个实施例中，磁畴的形成可以通过外加磁场的方式进行控制，相邻磁畴间方向的相同与不同，可直接决定磁畴间是否存在磁畴壁。当相邻磁畴单元间的磁化方向不同时，才会存在磁畴壁，即自旋波通道。反之，则不存在磁畴壁。磁畴的排列方式不同，磁畴壁的排布也会发生相应改变。通过对磁畴的排列方式进行编辑，可以获得任意的自旋波导线分布方式，因此磁畴之间的是可重构的。

在一个实施例中，所述所述磁性薄膜材料100下所设置的驱动装置300为一个特定布线方式的电路板，用于对所述磁性薄膜材料100外加磁场，并驱动处于磁畴壁即自旋波通道内的单个或多个自旋波。

在一个具体实施例中，所述磁畴壁，当磁晶各向异性为单轴各向异性时，材料中仅存在180度磁畴壁；当磁晶各项异性为双轴或立方各项异性时，材料中会出现90度或180度磁畴壁。具有更高重对称性的材料，其磁畴壁的种类可以更多。

在一个实施例中，当所述第一自旋101与所述第一量子比特201实现耦合，并且所述第二子璇与所述第二量子比特202实现耦合后。在超导量子比特层的第一量子比特201的状态变化，通过层间的耦合，作用到自旋波中的第一自旋101，然后通过自旋波按照自旋波通道特定的路径行进，将变化状态传递到第二自旋102，再通过层间的耦合，作用到第二量子比特202，这样就建立了第一自旋101与第二自旋102之间的相互作用，同时也建立了第一量子比特201与第二量子比特202之间的。而自旋波的行进路径，即自旋波通道的线路是可以通过调节磁性薄膜材料100中多个磁畴磁化方向的组合来控制，由此可实现任意两个量子比特的耦合。

在一个实施例中，一个量子比特能够与至少一个自旋波实现耦合，也可以与多个自旋波实现耦合。

本申请所提供的量子比特耦合系统采用磁性薄膜材料100层和超导量子比特层上下两层竖直方向设置的结构，用驱动装置300对所述磁性薄膜材料100层外加磁场，并驱动处于磁畴壁即自旋波通道内的单个或多个自旋波。该系统利用磁性薄膜材料100层的自旋波来传递超导量子比特层的量子比特的状态变化。最终达到利用超导量子比特和自旋波的耦合同时利用自旋波的软连接，以实现任意两个超导量子比特的耦合。同时还可以通过调节磁性薄膜材料100中磁畴中自旋的数密度，调整超导量子比特线圈和磁性薄膜材料100的距离，调整磁性薄膜材料100中磁畴的极化方向或者磁化强度等多种方法调节耦合能量的大小。又由于自旋波通道的行进路程能够通过调整磁畴单元的分布改变，进一步实现任意两个超导量子比特的耦合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对所述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。