可调谐量子位耦合器

摘要

用于实施可调谐量子位耦合器的方法、系统和装置。在一个方面，设备包括：第一数据量子位、第二数据量子位和第三量子位，第三量子位是可调谐量子位耦合器，其被布置为耦合到第一数据量子位且耦合到第二数据量子位，使得在设备的操作期间，可调谐量子位耦合器允许第一数据量子位和第二数据量子位之间的可调谐耦合。

说明书

技术领域

本公开涉及可调谐量子位耦合器。

背景技术

大规模量子计算机有潜力为某些类别的不同难题提供快速解决方案。量子架构的设计和实施方式中控制、编程和维护量子硬件的多重挑战阻碍了大规模量子计算的实现。

发明内容

本公开描述了用于实施可调谐量子位耦合器的技术。

一般地，本公开的主题的创新方面可以具体体现在包括以下各项的设备中：第一数据量子位；第二数据量子位；以及第三量子位，其中第三量子位是可调谐量子位耦合器，其被布置为耦合到第一数据量子位且耦合到第二数据量子位，使得在设备的操作期间，可调谐量子位耦合器允许第一数据量子位和第二数据量子位之间的可调谐耦合。

实施方式可以包括以下特征中的任何、全部或不包括以下任何特征。例如，在一些实施方式中，根据权利要求1所述的设备包括第一基底(substrate)，其中第一数据量子位和第二数据量子位在第一基底的主表面上；以及与第一基底隔开且耦合到第一基底的第二基底，其中可调谐量子位耦合器在第二基底的主表面上，并且被布置为与第一数据量子位的部分和第二数据量子位的部分重叠。可调谐量子位耦合器可以布置在第一轴上，其中第一轴：与连接第一数据量子位和第二数据量子位的第二轴正交；并且与第一数据量子位和第二数据量子位之间的第二轴相交(intersect)。第一基底和第二基底之间的空间处于小于至多10

在一些实施方式中，可调谐量子位耦合器包括直接连接到细长引线的超导量子干涉设备(superconducting quantum interference device，SQUID)。第一数据量子位和第二数据量子位中的每一个可以包括相应的差分量子位。可调谐量子位耦合器可以包括transmon量子位。第一基底的主表面可以面向第二基底的主表面。第一数据量子位和第二数据量子位可以布置在第一基底的主表面上，使得在设备的操作期间，第一数据量子位和第二数据量子位直接耦合。

在一些创新方面，使用作为可调谐量子位耦合器的第三量子位来控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合的方法，其中可调谐量子位被布置为耦合到第一数据量子位且耦合到第二数据量子位，包括：通过改变可调谐量子位耦合器的操作频率来控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合。

方法的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个，或者不包括以下特征。例如，在一些实施方式中，可调谐量子位耦合器包括超导量子干涉设备(SQUID)，并且改变可调谐量子位耦合器的操作频率包括改变可调谐量子位耦合器的SQUID的磁通量。改变可调谐量子位耦合器的操作频率可以包括在不小于大约4GHz且不大于大约6GHz的范围内改变操作频率。

该方法可以包括：将第一数据量子位和第二数据量子位中的每一个调谐到相同的谐振(resonance)频率；以及随后改变可调谐量子位耦合器的操作频率，以开启第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合。

第一数据量子位和第二数据量子位的谐振频率可以在大约4GHz到大约8GHz的范围内。第一数据量子位和第二数据量子位的谐振频率可以与可调谐量子位耦合器的操作频率相差大约0.5GHz到7GHz。

在一些实施方式中，该方法可以包括，在将第一数据量子位和第二数据量子位中的每一个调谐到相同的谐振频率之前，将可调谐量子位耦合器的操作频率改变到第一频率，以关闭第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合。改变可调谐量子位耦合器的操作频率以关闭耦合可以包括改变操作频率，使得第一数据量子位和第二数据量子位之间的直接耦合由通过可调谐量子位耦合器的第一数据量子位和第二数据量子位之间的间接耦合抵消(offset)。作为直接耦合和间接耦合的组合的第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合可以在大约45MHz的频率范围上操作。通过可调谐量子位耦合器的第一数据量子位和第二数据量子位之间的间接耦合可以在小于至少10

第一数据量子位和第二数据量子位可以布置在第一基底上，并且可调谐量子位耦合器布置在与第一基底隔开的第二基底上。

本说明书中描述的主题可以以特定方式实施，以便实现一个或多个以下优点。

例如，在一些实施方式中，本说明书中描述的可调谐量子位耦合器允许量子位的快速可调谐耦合。在一些实施方式中，可以在不显著降低量子位品质(quality)或性能的情况下实现耦合。在一些实施方式中，该耦合为被应用到耦合量子位的双量子位门提供动态控制范围和OFF状态期间的量子位的零耦合。因此，在某些实施方式中，实施本说明书中描述的可调谐耦合器的量子计算硬件可以实现提高的性能水平，例如提高的算法执行速度和降低的损耗，并且以增加的准确度和可靠性执行量子计算。此外，在一些实施方式中，关闭量子位之间的相互作用(interaction)的能力还提供了减少的频率拥挤，因为量子位可以被配置为以相同的频率操作，甚至在没有相互作用的情况下扫过彼此。此外，在一些实施方式中，可以通过在读出期间关闭耦合来抑制多量子位状态转换。

本说明书的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和下面的描述中阐述。本主题的其他特征、方面和优点将从说明书、附图和权利要求中变得清楚。

附图说明

图1描绘了用作由可调谐量子位耦合器耦合的两个数据量子位的操作环境的示例性系统。

图2A是由可调谐量子位耦合器耦合的第一数据量子位和第二数据量子位的示例设计的示意图。

图2B是由可调谐量子位耦合器耦合的第一数据量子位和第二数据量子位的示例设计的示意图。

图3示出了可调谐量子位耦合器的设计原理的仿真结果。

图4A和图4B是示出包括四个数据量子位和三个可调谐量子位耦合器的量子计算芯片设计的示例的示意图。

图5示出了图4A-图4B的示例量子计算芯片设计的四个量子位的弛豫(relaxation)时间T1的仿真结果。

图6是使用可调谐量子位耦合器来控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合的示例过程的流程图，该可调谐量子位耦合器被布置为耦合到第一数据量子位且耦合到第二数据量子位。

具体实施方式

控制量子位之间的相互作用对于能够进行量子仿真和通用量子计算很重要。例如，为了在量子计算机上执行算法，可能需要应用一个或多个双量子位门。双量子位门可以通过让两个量子位相互作用来实施。在一些实施方式中，可以使用可调谐量子位耦合器来动态地控制量子位之间的相互作用。

当使用超导量子位(例如transmon量子位)时，第一和第二量子位之间的耦合可以通过将第一量子位的边缘置于靠近第二量子位的边缘来实现。然而，这种设计仅允许通过使两个量子位中的至少一个的谐振频率失谐(detune)的量子位之间的耦合的动态控制。这需要高度的控制，因为失谐经常导致量子位激发到计算子空间之外的状态。此外，因为足够大的失谐是不可行的，这种设计中的OFF状态可能不对应于零耦合，并且因此具有与之相关联的恒定损耗。为了提供不存在上述问题的量子位之间的可调谐耦合，可以在量子位之间引入允许量子位之间的耦合强度被调制的组件。为了实现可调谐量子位耦合和具有零耦合的OFF状态而引入额外组件会造成必须解决的各种技术问题。例如，额外的可调谐量子位耦合器元件不应该将量子位的品质(因子)或性能降低到一些可接受的预定阈值以下，例如，不应该显著降低弛豫或相干时间T

本公开包含的设备包括三个元件，被称为数据量子位的两个量子位，以及包括可调谐非线性振荡器的可调谐量子位耦合器。可调谐非线性振荡器可以通过向DC-SQUID添加大电容器并实现结(junction)临界电流和电容的特定比率来实现。以这种方式实现的可调谐量子位耦合器类似于transmon量子位，其中结临界电流和电容的特定比率处于transmon态。可调谐量子位耦合器不被用作量子信息的载体，因此从技术上讲不是transmon量子位，但是为了方便起见，在这里仍然可以被称为(单端)transmon量子位。两个数据量子位可以是transmon量子位，但也可以使用其他量子位。添加大的分流(shunt)电容来实现可调谐量子位耦合器可以减轻电荷噪声，并允许两个数据量子位电容耦合。

数据量子位和耦合器被配置和布置为使得，在数据量子位的操作期间，耦合器允许数据量子位的快速可调谐耦合，而不显著降低数据量子位的品质或性能，同时为由相互作用的数据量子位实现的双量子位门提供动态控制范围和OFF状态期间的数字量子位的零耦合。

这是通过满足一个或多个设计原则实现的，即数据量子位和耦合器之间的大失谐的概率、相对于数据量子位以平行板几何结构布置耦合器以实现强耦合、在这些板之间提供真空间隙以确保低损耗、以及除了经由耦合器的数据量子位之间的间接耦合之外，还提供数据量子位之间的直接耦合，以便在OFF状态下实现数据量子位之间的零和耦合。

使用本公开的示例实施方式来满足那些设计原则。两个数据量子位可以通过布置在一些合适的基底上的两个transmon量子位来实现，其中transmon量子位可以是单端的或者可以具有差分设计。数据量子位之间的直接耦合可以通过定位transmon量子位、使得面对彼此的各个量子位(例如各个超导体臂)的边缘彼此平行且由间隙隔开来实现。这里，各个超导体臂也称为细长臂或耦合臂。实施耦合器的额外的transmon量子位(例如单端transmon量子位)位于第二基底上。两个基底被布置为使得数据量子位位于其上的基底的侧对耦合器位于其上的基底的侧。耦合器被放置为使得其区域覆盖数据量子位的耦合臂以及这些臂之间的间隙，以及在数据量子位和耦合器之间建立的间隙(例如真空间隙)。两个基底可以使用隆起(bump)接合来对准。耦合器耦合到两个数据量子位。通过改变耦合器的频率，可以调谐数据量子位之间的耦合。

该设计满足上述设计原则，即该设计允许使用可调谐耦合器对数据量子位进行快速可调谐耦合，同时保持数据量子位的性能，并为由相互作用的数据量子位实现的双量子位门提供动态控制范围以及具有零耦合的OFF状态。

图1描绘了用作参考图2和图4描述的设备的操作环境的示例性系统。

系统100包括量子硬件102，其包括至少第一数据量子位104、第二数据量子位106以及第一数据量子位和第二数据量子位之间的可调谐量子位耦合器108。第一数据量子位104、第二数据量子位106和可调谐量子位耦合器108可以是量子硬件102的子组件。例如，量子硬件102可以包括额外的数据量子位和额外的可调谐量子位耦合器。第一数据量子位104、第二数据量子位106和可调谐量子位耦合器108中的每一个都可以是频率可调谐的。

第一数据量子位104和第二数据量子位106可以是超导量子位。例如，第一数据量子位104和第二数据量子位106可以是transmon量子位。此外，transmon量子位可以具有差分设计或者可以是单端的。作为示例，对于由具有两侧的DC SQUID形成的transmon量子位，每个侧由约瑟夫森(Josephson junction)结定义，两侧可以保持电开放，这可以被称为差分设计，或者一个侧可以被分流到接地平面，这可以被称为单端设计。也可以使用其他量子位架构。下面将参考图2-图3更详细地解释可调谐量子位耦合器108。

系统100包括控制电子器件110。控制电子器件110可以包括任意波形生成器、滤波器、衰减器和混频器以及其他电路元件。为了读出，控制电子器件110还可以包括放大器和模数转换器以及其他电路元件。

系统100包括从控制电子器件110到量子硬件102的控制线112。控制线112能够直接或间接控制第一数据量子位104、第二数据量子位106和可调谐耦合器108。在一些情况下，控制线112可以包括允许直接控制第一数据量子位104和第二数据量子位106的量子位控制线。第一数据量子位104和第二数据量子位106的频率可以使用控制线112上提供的信号来调谐。第一数据量子位104和第二数据量子位106的频率可以通过经由控制电子器件110向控制线112施加控制信号来调谐。此外，控制电子器件110可以通过控制线112执行第一数据量子位104和第二数据量子位106的测量。第一数据量子位104的测量和第二数据量子位106的测量分别确定第一数据量子位104和第二数据量子位106的状态。控制电子器件110可以存储、显示和/或进一步处理第一数据量子位104和第二数据量子位106的测量中的每一个的结果。

系统100包括可调谐量子位耦合器控制线114。通过在可调谐量子位耦合器控制线114上施加控制信号来调谐可调谐量子位耦合器108的频率，控制电子器件110可以动态地调谐第一数据量子位104和第二数据量子位106之间的耦合或相互作用。例如，控制电子器件110可以向可调谐量子位耦合器控制线114施加电压脉冲，以调谐可调谐量子位耦合器108的频率。将参考图4-图6更详细地解释通过使用图2-图3所示的示例设备向可调谐量子位耦合器控制线114施加控制信号来调谐可调谐量子位耦合器108的频率，以调谐第一数据量子位104和第二数据量子位106之间的耦合或相互作用。

在一些实施方式中，控制电子器件110可以包括数据处理装置和相关联的存储器。存储器可以包括具有指令的计算机程序，当指令被数据处理装置执行时，使得数据处理装置执行本文所描述的一个或多个功能，诸如将控制信号施加到量子位和/或可调谐量子位耦合器。

图2A是由可调谐量子位耦合器208耦合的第一数据量子位204和第二数据量子位206的示例设计的示意图200。

在该示例设计中，第一数据量子位204和第二数据量子位206是具有差分设计的transmon量子位。每个量子位204、206包括四个超导材料的细长臂220和两个超导材料的对角带222，该对角带222彼此平行布置并由间隙隔开。其他量子位架构和设计也是可能的。特别地，在一些实施方式中，第一数据量子位204和第二数据量子位206中的一个或两个可以是单端transmon量子位。然而，在任一种情况下，可调谐量子位耦合器是单端的，以提供间接耦合，这允许取消(cancel)直接和间接耦合，并且数据量子位之间的整体耦合被关闭。

第一数据量子位204和第二数据量子位206被布置为使得每个量子位的细长臂中的一个朝向彼此延伸。例如，如图2A所示，第一数据量子位204的细长臂214向第二数据量子位206的细长臂216延伸。朝向彼此延伸的细长臂由间隙隔开。例如，第一数据量子位204的细长臂214和第二数据量子位的细长臂216相隔距离218。这种布置通过电容耦合提供了在第一数据量子位204和第二数据量子位206之间的直接耦合。第一数据量子位204和第二数据量子位206可以在第一基底的表面上。例如，第一数据量子位204和第二数据量子位206可以布置在第一基底的主表面上，使得在操作期间，量子位可以经由可调谐量子位耦合器208直接和间接地耦合。

可调谐量子位耦合器208布置在位于数据量子位204、206所在的第一基底之上的第二基底上。第二基底通过间隙与第一基底隔开，但是也可以通过例如隆起(bump)接合耦合到第一基底。第一轴(例如轴A)与第二轴(例如轴B)正交。第二轴B延伸穿过第一数据量子位204和第二数据量子位206，即第一数据量子位204和206都位于第二轴上。第一轴A在第一数据量子位204和第二数据量子位206之间与第二轴B相交。可调谐耦合器208可以在第二基底的表面上，该表面面向第一数据量子位204和第二数据量子位206布置在其上的表面。

可调谐量子位耦合器208包括超导体岛210，例如单个超导体岛，诸如细长引线，其面向第一数据量子位204和第二数据量子位206，并且与第一数据量子位204的细长臂214、第二数据量子位206的细长臂216和间隔(separation)距离218重叠。超导体岛210可以至少部分地被第二基底上的接地平面212包围。在一些情况下，超导体岛210和接地平面212可以由不同的材料制成。在其他情况下，超导体岛210和接地平面212可以由相同的材料制成。例如，超导体岛210可以是超导金属，诸如铝。接地平面212也可以由铝或不同的超导体材料制成。此外，超导体岛210可以通过SQUID(图2A中未示出)耦合到接地平面212，其中SQUID可以位于岛210和控制线(未示出)之间。下面将参考图4A-图4B更详细地描述第一数据量子位204、第二数据量子位206和可调谐量子位耦合器208如何分别位于第一和第二基底上并连接到控制线的更多细节。

岛210与细长臂214、216的重叠量与通过可调谐量子位耦合器208的第一数据量子位和第二数据量子位之间的间接耦合的耦合强度相关，其中增加重叠会增加耦合。更强的耦合允许可调谐量子位耦合器208与第一数据量子位204和第二数据量子位206的更大的失谐，这又减少了由于可调谐量子位耦合器208的存在而导致的额外损耗。如参考图3所述，该重叠可以被设计为实现某些设计参数。

图2B是示出通过图2A的线B的横截面视图的示意图。第一数据量子位204和第二数据量子位206都位于第一基底240的主表面242上。为了便于观察，在图2B中仅示出了第一数据量子位204的细长臂214和第二数据量子位206的细长臂216。细长臂214与细长臂216隔开距离218。在量子位系统的操作期间，第一数据量子位204和第二数据量子位206之间的直接耦合可以通过细长臂214、216发生。对于可替代的量子位设计，量子位之间的直接耦合可以通过量子位的其他边缘或表面发生。

可调谐量子位耦合器210形成在第二基底250的主表面252上。第二基底250可以位于第一基底240之上，使得主表面252面向主表面242。如图2B所示，可调谐量子位耦合器210与细长臂214和细长臂216重叠。第二基底250可以使用接合260(例如，隆起接合)来接合(例如，隆起接合)到第一基底240。间隙270将第一基底240与第二基底250隔开。间隙270内的空间可以是低压环境，例如真空。第一基底240和第二基底250中的每一个可以由电介质(dielectric)形成，例如硅或蓝宝石(sapphire)。

在图2的示例中，可调谐量子位耦合器208被设计为可调谐非线性振荡器，该可调谐非线性振荡器具有被添加到DC-SQUID的大电容器以及处于transmon态的SQUID的结临界电流和电容的特定比率。添加大的分流电容减轻了可调谐量子位耦合器208的电荷噪声，并允许到第一数据量子位204和第二数据量子位206的电容耦合。可调谐量子位耦合器208的这种设计等同于单端transmon量子位的设计。因此，可调谐量子位耦合器208也可以被称为量子位，例如，transmon量子位，尽管其不用于承载或编码量子信息。其他设计也是可能的。例如，可以选择不处于transmon态的SQUID的结临界电流和电容的比率。特别地，当为第一数据量子位204和第二数据量子位206选择不同于差分设计的设计时，可以选择不同的比率。

图3示出了可调谐量子位耦合器的设计原理的仿真结果300、320和340。仿真结果300、320和340可以对应于参考图2描述的第一数据量子位204、第二数据量子位206和可调谐量子位耦合器208。

可调谐量子位耦合器(例如图2的可调谐量子位耦合器208)的一个示例设计原理是，可调谐量子位耦合器不应该显著地影响可调谐量子位耦合器所耦合的第一数据量子位和第二数据量子位的相干或弛豫时间。为了避免这些不利影响，可调谐量子位耦合器可以从第一数据量子位和第二数据量子位失谐，也就是说，可调谐量子位耦合器在频率上非常远离第一数据量子位和第二数据量子位来操作。在一些实施方式中，给定通过可调量子位耦合器、第一数据量子位和第二数据量子位的耦合是间接耦合，优选地提供从可调量子位耦合器到第一和第二数据量子位的相对较强的耦合，这是二阶(second order)过程。添加可调谐量子位耦合器可能会以各种方式引入损耗，并降低量子位的品质(因子)。图3的仿真结果示出，实施当前描述的可调谐量子位耦合器(诸如图2的耦合器208)实现了对量子位之间的耦合的动态控制，其具有耦合器和量子位的大失谐、通过耦合器的量子位的强耦合，并且没有量子位的品质的显著降低。此外，当第一数据量子位和第二数据量子位被布置为也允许它们之间的直接耦合时，诸如，例如在图2A中，可以选择直接耦合强度，使得该直接耦合强度被间接耦合的特定值抵消，并且实现具有零耦合强度的总耦合，其可以用作OFF状态。

可调谐量子位耦合器作为量子硬件的部分的物理实现方式可能导致未包括在考虑内的量子位的品质的损耗或降低，例如，将额外的材料引入量子位附近可能会显著地影响它们。参考图4和图5描述了包括根据本公开的可调谐量子位耦合器(例如图2A的可调谐量子位耦合器208)且不会显著降低量子位的品质的量子计算芯片的示例设计。具体地，在前述设计中，量子位位于第一基底上，并且可调谐量子位耦合器与其他控制元件一起位于第二基底上，使用平行板几何结构，并且量子位和耦合器由真空间隙隔开。

图3的三个曲线图300、320和340分别包括水平轴304、324和344。每个水平轴304、324和344表示施加到可调谐量子位耦合器的耦合器通量φ

曲线图300包括以GHz表示的频谱的垂直轴302。实直线318表示第一数据量子位和第二数据量子位的频率。在该示例中，第一数据量子位和第二数据量子位的频率大约为6GHz。实线316表示耦合器频率。对于零的耦合器通量，耦合器处于大约13GHz的频率，并且从第一数据量子位和第二数据量子位失谐大约7GHz。增加耦合器通量会降低耦合器频率。虚线308表示大约9GHz的耦合器频率的下限，即，如箭头312指示的，从第一数据量子位和第二数据量子位失谐大约3GHz。如箭头310指示的，耦合器频率通过4GHz的范围上的耦合器通量动态地调谐。耦合效率大约为15％。

曲线图320包括通过耦合器的第一数据量子位和第二数据量子位之间、以MHz表示的耦合的垂直轴322。线326表示基于包括可调谐量子位耦合器和第一数据量子位以及第二数据量子位的物理系统的近似的耦合，其中该近似具有可以表达为g

线328表示基于物理系统的精确线性模型的间接耦合，该物理系统包括可调谐量子位耦合器和第一数据量子位以及第二数据量子位。线326和328在耦合范围内基本重合。虚直线330表示通过可调谐量子位耦合器的间接耦合的偏移值，其有助于第一数据量子位和第二数据量子位之间的二阶相互作用。通过将第一数据量子位和第二数据量子位之间的直接耦合设计为具有与偏移值相同的值，作为第一数据量子位和第二数据量子位之间的直接耦合和通过可调谐量子位耦合器的第一数据量子位和第二数据量子位之间的间接耦合的组合的总耦合对于特定的耦合器通量值(例如，在线330与间接耦合频率交叉的情况下)可以为零。零的总耦合提供了第一数据量子位和第二数据量子位之间没有耦合的OFF状态。此外，曲线图320示出了当耦合器在离第一数据量子位和第二数据量子位最远的地方失谐并且单调增加耦合以减小失谐时的小耦合。耦合器频率与耦合强度近似相关，使得执行双量子位操作或双量子位门(例如纠缠(entangle)两个量子位)所需的时间与耦合强度成反比。例如，对于20MHz耦合，纠缠两个量子位需要50纳秒的量级。增加耦合强度减少了实施双量子位门的时间，即增加的耦合强度提供了更快的双量子位门，这进而也减少了双量子位门误差。

曲线图340包括表示量子位(例如第一数据量子位或第二数据量子位)的品质因子的垂直轴342，其由可调谐量子位耦合器除以可调谐量子位耦合器的品质因子修改。曲线图340中呈现的数据涉及由来自可调谐量子位耦合器的量子位引起的损耗，并且由垂直轴342表示的比率可以被理解为保护量子位不受由可调谐量子位耦合器可引起的损耗的程度。线346表示基于包括可调谐量子位耦合器和第一数据量子位以及第二数据量子位的物理系统的近似、由耦合器引起的量子位损耗，其中该近似具有可表达为δ

如本公开中所描述的，实施用于第一数据量子位和第二数据量子位的可调谐量子位耦合器提供了第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合(包括强耦合)的可控动态范围、快速双量子位门时间(two-qubit gate time)、通过耦合器的特定间接耦合强度的零总耦合以及第一数据量子位和第二数据量子位之间的直接耦合的适当选择，而不会显著地降低第一数据量子位和第二数据量子位的品质因子。

图4A和图4B是示出包括四个数据量子位和三个可调谐量子位耦合器的量子计算芯片设计400的示例的示意图。量子计算芯片设计400实现了参考图3更详细解释的设计原理。量子计算芯片设计通过三个可调谐量子位耦合器实现四个量子位的相邻对的可调谐耦合，并且提供相邻量子位之间耦合强度的动态和可控范围、快速双量子位门执行以及具有相邻量子位之间零耦合的OFF状态，而不降低量子位和耦合器的固有性能。

量子计算芯片400包括第一基底402和第二基底422。图4A是示出了包括数据量子位的第一基底的示例的示意图，而图4B是示出了包括可调谐量子位耦合器并且接合到第一基底的第二基底的示例的示意图。为了方便起见，两个基底402、422被隔开示出。第一基底402包括主表面。参考第一基底402描述的元件(例如，量子位404a-d)位于第一基底402的主表面上。在图4A中，第一基底402的主表面支撑元件404-412。第二基底422包括主表面。参考第二基底422描述的元件(例如，耦合器424a-c)位于第二基底422的主表面上，如图4B所示。

在组装状态下，第二基底422层叠在第一基底402的顶部，其中主表面彼此面对。第二基底422位于第一基底402的顶部，使得相应的可调谐耦合器424a-c重叠它们耦合的两个量子位的部分。两个基底分别通过接合元件406和426接合在一起。例如，接合元件406和426可以是隆起接合。接合元件406和426可以由铟(indium)制成。当两个基底接合在一起时，第一基底和第二基底由间隙隔开，此外，参考第一基底402描述的元件(例如，除了接合元件406的量子位404a-d)与参考第二基底422描述的元件(例如，除了接合元件426的耦合器424a-c)由间隙隔开。第一基底和第二基底之间的空间可以处于小于至多10

第一基底402包括四个量子位404a-d。量子位404a-d可以对应于参考图2描述的第一数据量子位204和第二数据量子位206。例如，量子位404a和404b可以分别对应于量子位204和206的一个实例。量子位404b和404c可以分别对应于量子位204和206的第二个实例。量子位404c和404d可以分别对应于量子位204和206的第三个实例。如在图2的示例中，示例量子计算芯片设计400中的量子位404a-d是具有差分设计的transmon量子位。然而，也可以使用其他量子位结构和设计。特别地，可以使用单端transmon量子位来代替。

第一基底402还包括用于测量DC SQUIDS的室温电阻的电测试结构408。

第二基底422包括三个可调谐量子位耦合器424a-c。可调谐量子位耦合器424a-c可以是参考图2描述的可调谐量子位耦合器208。当组装时，第一基底402和第二基底422被置为使得量子位404a-d和可调谐耦合器424a-c根据图2的第一数据量子位204、第二数据量子位206和可调谐量子位耦合器208的布置来布置。也就是说，根据参考图2所描述的布置，可调谐量子位耦合器424a耦合量子位404a和404b，可调谐量子位耦合器424b耦合量子位404b和404c，并且可调谐量子位耦合器424c耦合量子位404c和404d。

可调谐量子位耦合器424a-c中的每一个包括直接电连接到超导体岛的SQUID(例如SQUID 454)，其中岛可以是细长引线。SQUID中的每一个(例如SQUID 454)位于可调谐量子位耦合器424a-c中的每一个的相应超导体岛和可调谐量子位耦合器控制线432之间。

第二基底422包括量子位控制线456、458，每个量子位控制线分别具有电开放端或浮动端450、452，用于耦合到量子位。当两个基底接合在一起时，量子位控制线可以允许对第一基底上的相应的量子位进行频率控制。

第二基底422包括测量线460，每个测量线都电耦合到具有开放边界的半波谐振滤波器446。读出谐振器446在端448处电容耦合到量子位。

第二基底422还包括使用引线接合将芯片上引线连接到外部控制线的接合焊盘430、用于测量DC SQUIDS的室温电阻的测试结构438、用于测量电交叉点(cross-over)的接触电阻的测试结构440、读出谐振器和量子位之间的电容耦合元件448以及测量输入/输出线460。

处于组装状态的量子计算芯片400的设计在这里可以被称为具有平行板几何结构。参考图2描述的可调谐量子位耦合器以及通过耦合器耦合量子位的设计满足了提供强耦合、动态和可控耦合范围、与量子位的大失谐、概念层面上具有零耦合的OFF状态以及量子位的品质和性能的保持的设计原则。可调谐量子位耦合器位于不同于量子位的基底上并且两个基底由真空间隙隔开的平行板几何结构解决了可调谐量子位耦合器的物理实施方式的问题，满足了关键的设计原则，特别是强(电容)耦合，而没有引入显著的额外量子位误差或损耗。

图5示出了图4A-图4B的示例量子计算芯片设计的四个量子位的弛豫时间T1的仿真结果500。

该图包括以GHz表示量子位频率的水平轴504和以微秒表示弛豫时间T1的垂直轴502。通过将参考图4A-图4B所示的量子计算芯片冷却到操作温度(例如，明显低于1K的温度)，并重复测量不同量子位频率的四个量子位506、508、510和512弛豫时间中的每一个来获得结果。对于高于大约5.1GHz的量子位频率，在大多数情况下，四个量子位中的每一个都具有20微秒或更长的弛豫时间。特别地，四个量子位的弛豫时间T1与没有可调谐量子位耦合器(未示出)的标准transmon量子位的弛豫时间没有显著的不同。结果示出，如本发明所述，添加可调谐量子位耦合器不会显著地降低量子位的性能，也就是说，添加这种可调谐量子位耦合器提供了量子位耦合的动态和可控范围、快速双量子位门执行和具有量子位之间零耦合的OFF状态，而不会显著地降低量子位的品质因子。

图6是使用可调谐量子位耦合器来控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合的示例过程600的流程图，该可调谐量子位耦合器被布置为耦合到第一数据量子位且耦合到第二数据量子位。例如，可以执行过程600来使用图2和图4的设备、通过可调谐量子位耦合器来控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合。为方便起见，过程600将被描述为由与位于一个或多个位置的控制电子器件通信的量子硬件来执行。例如，根据本说明书适当编程的图4的设备400可以执行过程600。

第一数据量子位和第二数据量子位被调谐到相同的谐振频率(步骤602)。第一数据量子位和第二数据量子位的谐振频率可以在大约4GHz到大约8GHz的范围内。此外，第一数据量子位和第二数据量子位的谐振频率可以与可调谐量子位耦合器的操作频率相差大约0.5GHz到7GHz。

通过改变可调谐量子位耦合器的操作频率来控制第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合(步骤604)。可调谐量子位耦合器可以包括超导量子干涉设备(SQUID)，并且改变可调谐量子位耦合器的操作频率可以包括改变可调谐量子位耦合器的SQUID的磁通量。改变可调谐量子位耦合器的操作频率可以包括在不小于大约4GHz且不大于大约6GHz的范围内改变操作频率。

在步骤602将第一数据量子位和第二数据量子位中的每一个调谐到相同的谐振频率之后，可调谐量子位耦合器的操作频率可以改变到第一频率，以关闭具有相同谐振频率的第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合。改变可调谐量子位耦合器的操作频率以关闭耦合可以包括改变操作频率，使得第一数据量子位和第二数据量子位之间的直接耦合由通过可调谐量子位的第一数据量子位和第二数据量子位之间的间接耦合抵消。作为直接耦合和间接耦合的组合的第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合可以在大约45MHz的频率范围上操作，该直接耦合是第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合，该间接耦合是通过可调谐量子位耦合器的第一数据量子位和第二数据量子位之间的耦合。此外，通过可调谐量子位耦合器的第一数据量子位和第二数据量子位之间的间接耦合可以在小于至少10

在本说明书中描述的数字和/或量子主题以及数字功能操作和量子操作的实施方式可以在数字电子电路、合适的量子电路或更一般地，在量子计算系统中、在有形体现的数字和/或量子计算机软件或固件中、在数字和/或量子计算机硬件中实施，包括在本说明书中公开的结构及其结构等同物，或者在它们中的一个或多个的组合中实施。术语“量子计算系统”可以包括但不限于量子计算机、量子信息处理系统、量子密码系统或量子仿真器。

本说明书中描述的数字和/或量子主题的实施方式可以实施为一个或多个数字和/或量子计算机程序，即编码在有形非暂时性存储介质上的数字和/或量子计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。数字和/或量子计算机存储介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基底、随机或串行访问存储器设备、一个或多个量子位、或者它们中的一个或多个的组合。可替代地或附加地，程序指令可以被编码在能够编码数字和/或量子信息的人工生成的传播信号上，例如，机器生成的电、光或电磁信号，其被生成以编码数字和/或量子信息，以传输到合适的接收器装置，用于由数据处理装置执行。

术语量子信息和量子数据是指由量子系统承载、保存或存储的信息或数据，其中最小的非平凡(non-trivial)系统是量子位，即定义量子信息单位的系统。应该理解，术语“量子位”包含在相应的上下文中可以适当地近似为两级系统的所有量子系统。这种量子系统可以包括多级系统，例如具有两级或更多级的系统。举例来说，这样的系统可以包括原子、电子、光子、离子或超导量子位。在多种实施方式中，计算基础状态(basis state)用基态(ground)和第一激发态来标识，然而，应该理解，计算状态用更高级的激发态来标识的其他设置也是可能的。

术语“数据处理装置”是指数字和/或量子数据处理硬件，并且包括用于处理数字和/或量子数据的所有种类的装置、设备和机器，例如包括可编程数字处理器、可编程量子处理器、数字计算机、量子计算机、多个数字和量子处理器或计算机及其组合。该装置还可以是或进一步包括专用逻辑电路，例如，现场可编程门阵列(field programmable gatearray，FPGA)、专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)、或量子仿真器，即，被设计为仿真或产生关于特定量子系统的信息的量子数据处理装置。特别地，量子仿真器是特殊用途的量子计算机，其不具有执行通用量子计算的能力。除了硬件之外，该装置可以可选地包括为数字和/或量子计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或多个的组合的代码。

数字计算机程序也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或代码，其可以以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、或者声明性或过程性语言，并且其可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适用于数字计算环境的其他单元。量子计算机程序，也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或代码，可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、或者声明性或程序性语言，并被翻译为合适的量子编程语言，或者可以以量子编程语言编写，例如QCL或Quipper。

数字和/或量子计算机程序可以但不需要对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其他程序或数据的文件的部分中，例如存储在标记语言文档中的一个或多个脚本，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者存储在多个协调文件中，例如存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件。数字和/或量子计算机程序可以被部署为在一个数字或一个量子计算机上或者在位于一个地点或者分布在多个地点并且通过数字和/或量子数据通信网络互连的多个数字和/或量子计算机上执行。量子数据通信网络被理解为可以使用量子系统(例如量子位)传输量子数据的网络。一般地，数字数据通信网络不能传输量子数据，但是量子数据通信网络可以传输量子数据和数字数据。

本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程数字和/或量子计算机执行，在适当的情况下与一个或多个数字和/或量子处理器一起操作，执行一个或多个数字和/或量子计算机程序，以通过对输入数字和量子数据进行操作并生成输出来执行功能。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路来执行，并且装置也可以被实施为专用逻辑电路，例如，FPGA或ASIC，或量子仿真器，或者由专用逻辑电路或量子仿真器和一个或多个编程的数字和/或量子计算机的组合来执行。

对于一个或多个数字和/或量子计算机的系统，“被配置为”执行特定的操作或动作意味着该系统已经在其上安装了软件、固件、硬件或它们的组合，这些软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使得系统执行这些操作或动作。对于被配置为执行特定操作或动作的一个或多个数字和/或量子计算机程序，意味着一个或多个程序包括当由数字和/或量子数据处理装置执行时、使设备执行操作或动作的指令。量子计算机可以从数字计算机接收指令，当指令由量子计算装置执行时，使装置执行操作或动作。

适于执行数字和/或量子计算机程序的数字和/或量子计算机可以基于通用或专用数字和/或量子处理器或者两者，或任何其他类型的中央数字和/或量子处理单元。一般地，中央数字和/或量子处理单元将从只读存储器、随机访问存储器或适于传输量子数据(例如，光子或其组合)的量子系统接收指令和数字和/或量子数据。

数字和/或量子计算机的元件包括用于执行(perform)或运行指令的中央处理单元和用于存储指令和数字和/或量子数据的一个或多个存储器设备。中央处理单元和存储器可以由专用逻辑电路或量子仿真器补充或并入其中。一般地，数字和/或量子计算机还将包括或可操作地耦合为从一个或多个用于存储数字和/或量子数据的大容量存储设备接收数字和/或量子数据，或将数字和/或量子数据传送到一个或多个大容量存储设备，例如适于存储量子信息的磁、磁光盘、光盘或量子系统。然而，数字和/或量子计算机不需要这样的设备。

量子电路元件(也称为量子计算电路元件)包括用于执行量子处理操作的电路元件。也就是说，量子电路元件被配置为利用量子力学现象，诸如叠加和纠缠，以非确定性方式对数据执行操作。某些量子电路元件(诸如量子位)，可以被配置为同时表示和操作多个状态的信息。超导量子电路元件的示例包括电路元件，诸如量子LC振荡器、量子位(例如通量量子位、相位量子位或电荷量子位)以及超导量子干涉设备(SQUID)(例如，RF-SQUID或DC-SQUID)等。

相比之下，经典电路元件一般以确定方式处理数据。经典电路元件可以被配置为通过对数据执行基本的算术、逻辑和/或输入/输出操作来共同执行计算机程序的指令，其中数据以模拟或数字形式表示。在一些实施方式中，经典电路元件可以用于通过电或电磁连接向量子电路元件传输数据和/或从量子电路元件接收数据。经典电路元件的示例包括基于CMOS的电路元件、快速单通量量子(rapid single flux quantum，RSFQ)设备、互易量子逻辑(reciprocal quantum logic，RQL)设备和不使用偏置电阻器的RSFQ的节能版本的ERSFQ设备。

在某些情况下，量子和/或经典电路元件中的一些或全部可以使用例如超导量子和/或经典电路元件来实施。超导电路元件的制造可能需要一种或多种材料(诸如超导体、电介质和/或金属)的沉积。取决于所选择的材料，这些材料可以使用沉积工艺(诸如化学气相沉积、物理气相沉积(例如，蒸发或溅射)或外延技术以及其他沉积工艺)来沉积。本文所描述的用于制造电路元件的工艺可能需要在制造期间从设备移除一种或多种材料。取决于要移除的材料，移除工艺可以包括，例如，湿式蚀刻技术、干式蚀刻技术或剥离工艺。可以使用已知的刻蚀(lithographic)技术(例如，光刻或电子束光刻)来图案化形成本文所描述的电路元件的材料。

在使用超导量子电路元件和/或超导经典电路元件(诸如本文所述的电路元件)的量子计算系统的操作期间，超导电路元件在低温恒温器(cryostat)中冷却到允许超导体材料表现出超导性质的温度。超导体(可替代地，超导)材料可以理解为在超导临界温度处或超导临界温度以下表现出超导性质的材料。超导材料的示例包括铝(1.2开尔文的超导临界温度)和铌(9.3开尔文的超导临界温度)。因此，超导结构(诸如超导迹线和超导接地平面)由在超导临界温度处或超导临界温度以下表现出超导性质的材料形成。

在某些实施方式中，可以使用电和/或电磁耦合到量子电路元件的经典电路元件来提供量子电路元件(例如，量子位和量子位耦合器)的控制信号。控制信号可以以数字和/或模拟形式提供。

适用于存储数字和/或量子计算机程序指令和数字和/或量子数据的数字和/或量子计算机可读介质包括所有形式的非易失性数字和/或量子存储器、介质和存储器设备，例如，包括半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；CD-ROM和DVD-ROM盘；以及量子系统，例如俘获的原子或电子。应该理解，量子存储器是能够以高保真度和高效率长时间存储量子数据的设备，例如光-物质(light-matter)接口，其中光用于传输，并且物质用于存储和保存量子数据的量子特征，诸如叠加或量子相干。

本说明书中描述的各种系统或其部分的控制可以在数字和/或量子计算机程序产品中实施，该产品包括存储在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上的指令，并且可以在一个或多个数字和/或量子处理设备上执行。本说明书中描述的系统或它们的部分可以各自实施为装置、方法或系统，其可以包括一个或多个数字和/或量子处理设备和存储器，以存储可执行指令来执行本说明书中描述的操作。

尽管本说明书包含多个具体的实施细节，但这些细节不应被解释为对所要求保护的范围的限制，而是对特定实施的特征的描述。本说明书中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方式中实施。此外，尽管特征可以在上面被描述为在某些组合中起作用，甚至最初也是这样要求保护的，但是在某些情况下，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从该组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。

类似地，尽管在附图中以特定的顺序描述了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或顺序地执行这些操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施中的各种系统模块和组件的分离不应该被理解为在所有实施方式中需要这样的分离，并且应该理解，所描述的程序组件和系统一般可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。

已经描述了主题的特定实施。其他实施方式在以下权利要求的范围内。例如，权利要求中列举的动作可以以不同的顺序执行，并且仍然实现期望的结果。作为一个示例，附图中描述的过程不一定需要所示的特定顺序或顺序来实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。