Устройство для передачи микроволнового излучения с копланарного резонатора на сверхпроводящие кубиты и считывания состояний кубита на чипе
DEVICE FOR TRANSMISSION OF MICROWAVE RADIATION FROM COPLANAR RESONATOR TO SUPERCONDUCTING QUBITS AND READING QUBIT STATES ON CHIP

Изобретение относится к области квантовых компьютеров, а именно к квантовым системам, включающим связанные между собой кубиты, и может быть использовано при создании квантовых компьютеров и изготовлении устройств для обработки, передачи и хранения информации. На текущий момент основным методом считывания состояний сверхпроводниковых кубитов является т.н. дисперсионное считывание. Кубит связывается электрическим (емкостно) или магнитным (индуктивно) полем с LC-осциллятором или микроволновым резонатором. Квантово-механическое описание такой составной системы показывает, что наблюдаемая резонансная частота осциллятора (резонатора) сдвигается на определенное значение (т.н. дисперсионный сдвиг частоты) в зависимости от состояния, в котором находился кубит при ее измерении. Если с резонатором связано несколько кубитов, итоговый сдвиг его частоты при измерении будет определяться как сумма сдвигов от отдельных кубитов. Частота резонатора определяется путем соединения с ним передающей линии считывания и измерения его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Известно решение, в котором квантовая система состоит из кубитов и элементов, связывающих кубиты друг с другом (US 2019/0122133 А1, дата публикации 25.04.2019). Предложенная квантовая система позволяет ансамблю кубитов сформировать энергетический ландшафт, эквивалентный наличию связи между тремя или более кубитами (N-локальная связь). Передача микроволнового излучения между кубитами организована так, что система может быть использована в компьютерах квантового отжига, которые используются для решения определенных типов задач, таких, например, как задачи оптимизации. Элементы, передающие микроволновое излучение между кубитами, не используются в процессах считывания, что ограничивает функциональные возможности квантовой системы.
Известно также решение, в котором квантовая система на чипе состоит из связанных определенным образом кубитов (РСТ WO 2017/127205 AI, дата публикации 27.07.2017). Кубиты, выполняющие разные логические операции, связаны через линии передач микроволнового излучения, которые представляют собой сложные перестраиваемые магнитным потоком соединительные блоки, состоящие из резонаторов с джозефсоновскими переходами. В указанном решении соединительные блоки выполняют не только функцию передачи микроволнового излучения между кубитными группами, но и позволяют считывать состояние кубитной системы. Основной недостаток решения - сложность конструкции соединительных блоков, передающих микроволновое излучение, а также ограниченная функциональность резонаторов, входящих в состав соединительных блоков. Каждый резонатор может выполнять только одну из двух функций: либо передавать микроволновое излучение кубитам, либо считывать их состояние.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому решению является устройство, состоящее из нескольких кубитов и резонатора на основе линии передач, а также связывающих их элементов: конденсаторов (емкостных элементов) и трансформаторов (индуктивных элементов) (Патент US 9501748 В2, дата публикации 22.11.2016). В зависимости от положения кубитов относительно пучностей напряжения или тока авторы предлагают подбирать значения индуктивного и емкостного элементов для сохранения требуемой силы связи. Недостатком данного решения является трудность реализации достаточной индуктивной связи между коротким (сравнимой с размером кубита) отрезком резонатора и кубитом. Более того, наиболее распространенные типы кубитов (потоковые и зарядовые) можно связывать либо индуктивно, либо емкостно, а для реализации двух видов связи одновременно потребуется проектирование особых кубитов. Также использование всей длины резонатора для размещения кубитов неудобно, так как в этом случае ограничено пространство для присоединения к нему измерительной передающей линии. Наконец, использование большого количества кубитов в одном резонаторе сильно затрудняет процесс считывания, так как, во-первых, количество состояний группы кубитов, определяющих возможные значения итогового дисперсионного сдвига, растет экспоненциально с ее размером, и во-вторых, сильно повышает нелинейность резонатора, ограничивая сверху возможную амплитуду используемых сигналов и понижая максимально достижимое отношение сигнал/шум.
Целью заявляемого изобретения является создание практически реализуемого устройства для передачи микроволнового излучения от тонкопленочного копланарного микроволнового резонатора (ТКР) к сверхпроводящим кубитам и считывания состояний на чипе при расширении его функциональных возможностей. Новая компоновка позволяет соединять с ТКР несколько (более двух) кубитов без необходимости существенного изменения параметров связывающих емкостных элементов.
Для удобства чтения приводим таблицу наиболее существенных определений используемых терминов:
Указанная цель достигается тем, что при организации на чипе квантовой системы сверхпроводящие кубиты связываются друг с другом через элемент, передающий микроволновое излучение с копланарного микроволнового резонатора на сверхпроводящие кубиты, снабженный только емкостным элементом, расположенным на разомкнутом конце копланарного микроволнового резонатора. Связь между сверхпроводящими кубитами осуществляется через эквивалентные емкостные составляющие емкостного элемента. Последние могут быть выполнены в виде встречно-штыревых конденсаторов, образующих компактную связь, обеспечивающую как считывание двухкубитных состояний, так и связь между кубитами. При использовании набора из нескольких встречно-штыревых конденсаторов к одному ТКР может быть присоединено более двух кубитов, с учетом ограничений по различимости состояний с различным дисперсионным сдвигом и по нелинейности.
Предложенная конструкция устройства для передачи микроволнового излучения с ТКР по крайней мере на два сверхпроводящих кубита позволяет не только минимизировать размер квантовой системы на чипе, но и расширяет ее функциональные возможности, поскольку одним и тем же ТКР можно осуществлять как передачу микроволнового излучения на сверхпроводящие кубиты, так и считывание состояний по крайней мере двух сверхпроводящих кубитов. Кроме того, упрощается технология получения квантовых систем, поскольку исключается этап определения местоположения кубитов относительно пучностей поля резонатора.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство для передачи микроволнового излучения с копланарного резонатора на сверхпроводящие кубиты и считывания состояний кубитов на чипе отличающийся тем, что емкостной элемент выполнен по крайней мере из двух эквивалентных емкостных составляющих, расположенных на разомкнутом конце ТКР и обеспечивает, как связь между кубитами, так и возможность считывания состояния кубитов.
Изобретение иллюстрируется схемами (фиг.1, 2 и 5), на которых представлена квантовая система на чипе, состоящая из двух (или более, см. фиг.5) сверхпроводящих кубитов, связанных через емкостной элемент, расположенный на разомкнутом конце тонкопленочного копланарного микроволнового резонатора через его промежуточную часть.
Работа устройства демонстрируется на фиг.3 и 4.
Фиг. 1. Схема расположения элементов на чипе, где 1 - кубит, 2 - емкостной элемент, 3а - промежуточная часть копланарного микроволнового резонатора, 3 - основная часть копланарного микроволнового резонатора, 4 - передающая линия считывания, 5 - передающая линия возбуждения.
Фиг. 2. Эквивалентная электрическая схема квантовой системы на чипе, где 1 - кубит, 2 - емкостной элемент, 2а - промежуточная часть тонкопленочного копланарного микроволнового резонатора, 3 - основная часть тонкопленочного копланарного микроволнового резонатора, 4 - передающая линия считывания, 5 - передающая линия возбуждения.
Фиг. 3. Результат однотоновой спектроскопии образца. Пропускание (частота сигнала) передающей линии считывания 4 при развертке тока катушки I (ось абсцисс) во внешней катушке. Внешняя катушка на фигурах не показана, чип - фиг.1 расположен на ее оси симметрии.
1
2
Фиг. 4. Результаты двухтоновой спектроскопии образца. Считывание одновременно двух кубитов. ω(I) и ω(I) - частоты квантовых переходов первого и второго кубитов в зависимости от тока катушки I. Греческой буквой θ обозначено квазипересечение спектральных линий 11/2 и 20/2, равное , где J - константа взаимодействия между кубитами.
Фиг. 5. Принципиальная схема устройства с большим числом кубитов (показано предлагаемое расположение 6-ти кубитов, поз.1а - схематичное изображение кубита на фиг.5).
Далее представлены результаты однотоновой и двухтоновой спектроскопии, полученные с использованием устройства для передачи микроволнового излучения с копланарного резонатора на сверхпроводящие кубиты и считывания состояний кубитов на чипе. Устройство представляет собой размещенные на чипе сверхпроводящие кубиты и тонкопленочный копланарный микроволновый резонатор с емкостными элементами, расположенными на разомкнутом конце тонкопленочного копланарного микроволнового резонатора. Элемент для передачи микроволнового излучения с тонкопленочного копланарного микроволнового резонатора на сверхпроводящие кубиты 1 представляет собой емкостной элемент 2 (фиг.1 и фиг.2).
Пример 1.
21
21
Результаты измерения АЧХ (на фиг.3 величина |S|) тонкопленочного копланарного микроволнового резонатора 3 с помощью передающей линии считывания 4 при однотоновой спектроскопии при развертке тока катушки I, создающей магнитное поле, подаваемое на оба кубита, представлены на фиг.3. Измерение S производится векторным анализатором цепей (ВАЦ) фирмы Key sight модели PNA-L. Из-за неоднородности магнитного поля периоды кубитов отличаются, и поэтому наблюдаемая зависимость является суммой двух периодических функций с неравными периодами.
Поведение резонансной частоты копланарного микроволнового резонатора, вычисляемой по положению минимума его АЧХ, свидетельствует о ненулевой связи с ним обоих кубитов и правильно отражает динамику двух связанных с копланарным микроволновым резонатором кубитов разного периода по магнитному полю.
Пример 2.
1
2
Результаты двухтоновой спектроскопии представлены на фиг.4. Эксперимент проводится с использованием того же ВАЦ, что и однотоновая спектроскопия, а возбуждающий сигнал подается с микроволнового генератора Keysight MXG через передающую линию возбуждения 5. Считывание двух кубитов проводилось при соблюдении условий, при которых один из кубитов находился в минимуме, а второй в максимуме своего диапазона перестройки частоты. Связь каждого кубита с копланарным микроволновым резонатором подтверждается наличием обеих спектральных линий ω(I) и ω(I). Величина связи между кубитами рассчитывалась с учетом расщепления переходов, соответствующих спектральным линиям 11/2 и 20/2 (обозначены на фиг.4) в точке их резонанса. В данном примере (см. фиг.4) расщепление (квазипересечение спектральных линий) в точке θ составляет около 11.9 МГц по шкале оси ординат, что дает константу взаимодействия между кубитами J, равную 8.5 МГц.
Выводы
1
2
Технический результат достигается, во-первых, тем, что копланарный микроволновый резонатор путем присоединения к его концу емкостного элемента на основе встречно-штыревых конденсаторов может связываться с двумя или более кубитами. Таким образом, резонатор позволяет осуществлять считывание двух и более кубитов, в то же время сохраняя простоту реализации и возможность свободного подключения одной и более таких систем к передающей линии считывания. Возможность считывания подтверждается данными двухтоновой спектроскопии, на которой присутствуют обе спектральные линии, соответствующих кубитов ω(I) и ω(I). Далее, микроволновое излучение, передаваясь с резонатора на кубиты, позволяет реализовывать связь внутри группы присоединенных к резонатору кубитов.