ДВУХЭЛЕКТРОДНЫЙ БЫСТРОПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПО ПОТОКУ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ КУБИТ НА ОСНОВЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ ИНДУКТИВНОСТИ Российский патент 2022 года по МПК H03K19/195 H01L39/22 H03K17/97 

Двухэлектродный быстроперестраиваемый по потоку сверхпроводниковый кубит на основе кинетической индуктивности (далее двухэлектродный кубит) относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров и(или) квантовых симуляторов, работающих при температурах ниже 20 мК, с улучшенными когерентными свойствами и возможностью контроля.

Известно устройство (сверхпроводниковый кубит), описанное в работе Hanhee Paik, et. al., «Observation of High Coherence in Josephson Junction Qubits Measured in a Three-Dimensional Circuit QED Architecture)), Phys. Rev. Lett. 107, 240501, представляющее собой не перестраиваемый по частоте сверхпроводниковый кубит-трансмон, изготовленный из алюминия на диэлектрической подложке и помещенный в центре трехмерного микроволнового резонатора. Эквивалентная электрическая схема устройства включает в себя джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, с джозефсоновской энергией E_J, шунтированный большой емкостью с зарядовой энергией E_C. Параметры эквивалентной электрической схемы устройства подобраны таким образом, что ее гамильтониан эквивалентен гамильтониану слабо ангармонического осциллятора. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров с частотой основного перехода выше 6,5 ГГц и ангармонизмом порядка нескольких сотен мегагерц.

Недостатками данного устройства являются высокая частота основного перехода кубита-трансмона, что влечет за собой снижение его когерентных свойств из-за высоких диэлектрических потерь в поверхностном слое, и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов, а также отсутствие индивидуальных линий контроля частоты кубита и использование трехмерного резонатора для считывания состояний системы, что затрудняет процесс масштабирования для создания многокубитных схем. Низкий ангармонизм кубита-трансмона также ограничивает скорость выполнения однокубитных и двухкубитных вентильных операций.

Известны устройства, описанные в работе Place, А.Р.М., Rodgers, L.V.H., Mundada, P. et al. «New material platform for superconducting transmon qubits with coherence times exceeding 0.3 milliseconds)). Nat Commun 12, 1779 (2021), используемые в качестве неперестраиваемых по частоте сверхпроводниковых кубитов-трансмонов, изготовленных в виде интегральной электрической цепи на диэлектрической подложке, емкостно связанных с индивидуальным копланарным резонатором для считывания состояний кубитов. Эквивалентная электрическая схема системы включает в себя джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, шунтированный двумя большими емкостями, изготовленными из тантала на диэлектрической подложке из сапфира. Параметры системы подобраны таким образом, что ее гамильтониан эквивалентен гамильтониану слабо ангармонического осциллятора. Описанные устройства относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и могут использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров с частотой основного перехода в диапазоне от 3,1 до 5,5 ГГц и ангармонизмом порядка нескольких сотен мегагерц.

Недостатками данной системы являются высокая частота основного перехода кубитов, что влечет за собой высокие диэлектрические потери в поверхностном слое и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов, а также отсутствие индивидуальных линий контроля частоты кубита, что затрудняет процесс масштабирования для создания многокубитных схем. Низкий ангармонизм системы также ограничивает скорость выполнения однокубитных и двухкубитных вентильных операций.

Известно устройство, описанное в работе J. Koch et al, "Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box," Phys. Rev. A 76, 042319 (2007), представляющее собой сверхпроводниковый кубит-трансмон, допускающий возможность емкостной связью с индивидуальным копланарным резонатором для считывания состояний кубита, а также возможность реализации в виде интегральной электрической цепи на диэлектрической подложке. Эквивалентная электрическая схема устройства включает в себя два туннельных джозефсоновских контакта, обеспечивающих нелинейность, соединенных параллельно, для формирования замкнутого контура, и шунтированных большой емкостью. Магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, используется для контроля частоты кубита и может создаваться при помощи индуктивно связанной потоковой линии. Параметры системы подобраны таким образом, что ее гамильтониан эквивалентен гамильтониану слабо ангармонического осциллятора. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, с перестраиваемой частотой основного перехода выше 4 ГГц, и ангармонизмом порядка нескольких сотен мегагерц.

Недостатками данной системы являются высокая частота основного перехода (выше 4 ГГц), что влечет за собой высокие диэлектрические потери в поверхностном слое и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов. Низкий ангармонизм системы ограничивает скорость выполнения однокубитных и двухкубитных вентильных операций.

Известно устройство, описанное в работе Yan, F., Gustavsson, S., Kamal, A. et al. The flux qubit revisited to enhance coherence and reproducibility. Nat Commun 7, 12964 (2016), представляющее собой сверхпроводниковый емкостно шунтированный потоковый кубит, изготовленный в виде интегральной электрической цепи на диэлектрической подложке, емкостно связанный с индивидуальным копланарным резонатором для считывания состояний кубита. Эквивалентная электрическая схема системы включает в себя джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность и шунтированный большой емкостью, и подключенный параллельно двум последовательно соединенным джозефсоновским контактам большего размера, для образования замкнутого контура. Магнитный поток, пронизывающий замкнутый контр используется для контроля частоты потокового кубита. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, с перестраиваемой частотой основного перехода выше 4 ГГц (минимальная частота достигается в точке вырождения магнитного потока, когда магнитный поток в контуре системы равен половине кванта магнитного потока), и ангармонизмом выше нескольких гигагерц.

Недостатками данной системы являются высокая частота основного перехода (выше 4 ГГц), что влечет за собой высокие диэлектрические потери в поверхностном слое и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов, а также использование магнитной петли, установленной над чипом непосредственно возле места расположения кубита, для создания магнитного потока в замкнутом контуре, что затрудняет возможное масштабирование системы, так как магнитное поле, создаваемое такой петлей, не локальное.

Известно устройство, описанное в патенте US 20200287540 A1, представляющее собой индуктивно шунтированный кубит-трансмон. Эквивалентная электрическая схема устройства включает в себя зарядовый кубит, состоящий из джозефсоновского контакта, обеспечивающего нелинейность, с джозефсоновской энергией E_J, шунтированного одной или несколькими емкостями с емкостной энергией E_C, такой что отношение E_J/E_C больше 5, а также цепочку из нескольких джозефсоновских контактов большего размера с джозефсоновской энергией E_J', такой что E_J' больше чем E_J, подключенную параллельно джозефсоновскому контакту зарядового кубита и одной или нескольким емкостям зарядового кубита, таким образом, что цепочка джозефсоновских контактов и джозефсоновский контакт зарядового кубита формируют замкнутый контур, при этом суммарная индуктивная энергия цепочки этих контактов E_L для разных воплощений системы может лежать в пределах лежала в пределе от 0.8E_J до 1.2 E_J. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, с перестраиваемой частотой основного перехода выше 4 ГГц (минимальная частота достигается в точке вырождения магнитного потока, когда магнитный поток в контуре системы равен половине кванта магнитного потока) и ангармонизмом порядка нескольких сотен мегагерц.

Недостатками данной системы являются высокая частота основного перехода (выше 4 ГГц), что влечет за собой высокие диэлектрические потери в поверхностном слое, и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов. Низкий ангармонизм системы также ограничивает скорость выполнения однокубитных и двухкубитных вентильных операций.

Известно устройство, описанное в работе Pop, I., Geerlings, K., Catelani, G. et al. Coherent suppression of electromagnetic dissipation due to superconducting quasiparticles. Nature 508, 369-372 (2014), представляющее собой кубит-флуксониум изготовленный из алюминия на диэлектрической подложке, индуктивно связанный с микроволновой антенной через общие джозефсоновские контакты, и расположенный в центре медного трехмерного волновода. Эквивалентная электрическая схема устройства включает в себя маленький джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, с джозефсоновской энергией E_J, соединенный параллельно с супериндуктором, изготовленным из линейного массива больших джозефсоновских контактов с джозефсоновской энергией каждого контакта больше чем E_J, таким образом, что образуется замкнутый контур для создания внешнего магнитного потока катушкой, расположенной снаружи медного волновода, причем суммарная индуктивная энергия супериндуктора E_L много меньше E_J. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, с перестраиваемой частотой основного перехода менее 1 ГГц (минимальная частота достигается в точке вырождения магнитного потока в контуре системы) и ангармонизмом выше 1 ГГц.

Недостатком данной системы является сложность масштабирования, обусловленная использованием трехмерного волновода, для считывания состояний системы, а также отсутствие индивидуальных линий контроля состоянием кубита и индивидуальных линий для быстрой перестройки частоты кубита, вместо которых используется внешняя магнитная катушка.

Известно устройство, описанное в патенте US 20180054201 А1, представляющее собой перестраиваемый по потоку кубит с несколькими джозефсоновскими контактами и двумя контурами для создания внешнего магнитного потока. Эквивалентная электрическая схема устройства включает в себя индуктор, подключенный между первым узлом схемы и вторым узлом схемы; конденсатор, подключенный параллельно индуктору между первым и вторым узлом системы, первый джозефсоновский переход, соединенный параллельно с индуктором между первым узлом схемы и вторым узлом схемы; и второй джозефсоновский переход включенный параллельно индуктору между первым узлом схемы и вторым узлом схемы, таким образом что образуются два замкнутых контура для создания внешнего магнитного потока в системе. Параметры системы могут быть выбраны таким образом, что в зависимости частоты основного перехода (между основным и первым возбужденным состоянием) от внешнего магнитного потока будет наблюдаться несколько точек, в которых частота основного перехода будет в первом порядке не чувствительна к изменению внешнего магнитного потока. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, при этом частота основного перехода в области вырождения магнитного потока может быть получена менее 1 ГГц, а ангармонизм в тоже время может быть выше 1 ГГц.

Недостатком данной системы является излишняя сложность управления, так как для полного контроля частоты системы и реализации всех преимуществ конструкции требуется либо одновременный контроль магнитного потока в двух контурах, для чего необходимо иметь две индуктивно связанные с системой линии перестройки внешнего магнитного потока, либо требуется соблюдение соотношений джозефсоновских энергий переходов и/или площадей контуров равным целочисленным значениям с точностью до 10%, что является не простой технологической задачей. Использование дополнительных точек, не чувствительных к изменению внешнего магнитного потока, подразумевает работу с частотой выше 1 ГГц, что вызывает необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов, в отличие от точки вырождения магнитного потока, в которой частота системы может быть получена ниже 1 ГГц. Индуктивная связь с линиями перестройки внешнего магнитного потока подразумевает малую величину взаимной индукции контура системы и управляющей линии, что приводит к необходимости подачи больших управляющих токов.

Известно устройство (сверхпроводниковый кубит), описанное в работе Long В. Nguyen, et al., High-Coherence Fluxonium Qubit, Phys. Rev. X 9, 041041, Nov 2019, представляющее собой кубит-флуксониум, шунтированный большой емкостью, изготовленный на чипе и размещенный в медном трехмерном резонаторе для считывания его состояний. Эквивалентная схема устройства включает в себя туннельный джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, шунтированный большой емкостью, и соединенный параллельно с кинетическим индуктором, сформированным из линейного массива джозефсоновских контактов большего размера, так что формируется замкнутый контур для создания внешнего магнитного потока катушкой, расположенной снаружи трехмерного резонатора. При специальном выборе параметров электрической цепи частота основного перехода кубита в точке вырождения магнитного потока может лежать ниже 1 ГГц, а ангармонизм в тоже время может быть выше 1 ГГц. При низкой частоте основного перехода кубита уменьшаются диэлектрические потери в поверхностном слое, вследствие чего улучшаются когерентные свойства системы (время когерентности и время релаксации более 200 мкс). Контроль частоты кубита осуществляется при помощи изменения внешнего магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур кубита. В данном устройстве для создания и изменения внешнего магнитного потока используется инертная магнитная катушка, установленная снаружи трехмерного резонатора, и создающая магнитное поле во всем его объеме. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров.

Недостатком устройства является сложность масштабирования, обусловленная использованием трехмерного резонатора, для считывания состояний системы, а также отсутствие индивидуальных линий контроля состояния кубита (линии возбуждения), и индивидуальных линий для быстрой индивидуальной перестройки его частоты (потоковые линии смещения), вместо которых используется инертная внешняя магнитная катушка.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является устройство, описанное в работе Helin Zhang, et. al. «Universal Fast-Flux Control of a Coherent, Low-Frequency Qubit», Phys. Rev. X 11, 011010, 15 January 2021, представляющее собой кубит-флуксониум, шунтированный большой емкостью, изготовленный в планарной архитектуре и емкостно связанный с копланарным резонатором для считывания состояний кубита. Эквивалентная схема устройства включает в себя туннельный джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, шунтированный большой емкостью, и соединенный параллельно с кинетическим индуктором, сформированным из линейного массива джозефсоновских контактов большего размера, так что формируется замкнутый контур для создания внешнего магнитного потока индуктивно связанной линией контроля потока. Описанное устройство относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться в качестве базового элемента (кубита) для построения и создания сверхпроводниковых квантовых процессоров, при этом частота основного перехода в области вырождения магнитного потока составляет величину несколько десятков мегагерц, а ангармонизм системы выше 1 ГГц. Низкая частота основного перехода кубита приводит к уменьшению диэлектрических потерь в поверхностном слое, вследствие чего улучшаются когерентные свойства системы (время когерентности и время релаксации более 200 мкс).

Недостатком прототипа является слишком низкая частота основного перехода 14 МГц, что приводит к большой термической заселенности первого возбужденного состояния даже при работе в криостате растворения при температурах порядка нескольких десятков милликельвин и требует реализации протоколов предварительной инициализации кубита в основном состоянии, в прототипе использовались высокие энергетические уровни системы, для чего производилась одновременная подача двух микроволновых сигналов на частоте выше нескольких гигагерц, что подразумевает использование гетеродинной схемы для формирования микроволновых импульсов, а значит, использование дополнительного источника микроволнового сигнала и дополнительных каналов генератора сигналов произвольной формы. Маленькая величина индуктивной связи контура кубита и потоковой линии, приводит к необходимости подачи больших управляющих токов для создания постоянного магнитного потока в контуре кубита, в отличие от случая использования гальванически связанных потоковых линий, это также привело к необходимости использования дополнительного микроволнового канала в криостате растворения для быстрой перестройки магнитного потока в контуре кубита и выполнения однокубитных операций. Низкая частота основного перехода кубита ограничивает скорость проведения однокубитных вентильных операций, как упомянуто в статье время однокубитных операций варьируется от 17,87 нс до 78,11 нс.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение когерентных свойств кубита, упрощение системы управления кубитом и упрощение процесса масштабирования.

Техническим результатом является разработка двухэлектродного кубита с частотой основного перехода ниже 1 ГГц, и ангармонизмом выше 1 ГГц, обладающего улучшенными когерентными свойствами, позволяющего осуществить масштабирование для создания многокубитных систем, а также имеющего возможность реализации и использования индивидуальных линий контроля состоянием кубита и/или индивидуальных гальванически встроенных линий для быстрой перестройки частоты кубита, что упрощает систему управления кубитом.

Технический результат достигается тем, что кубит содержит два кинетических индуктора, при этом первый электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом первого кинетического индуктора, второй электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом второго кинетического индуктора, а вторые электроды первого и второго кинетических индукторов соединены между собой и заземлены, таким образом, что два кинетических индуктора и туннельный джозефсоновский контакт формируют замкнутый контур, причем в замкнутый контур между двумя кинетическими индукторами гальванически встроена линия контроля магнитного потока, кроме того, распределенные взаимные емкости на землю каждого из электродов туннельного джозефсоновского контакта используются для прямой емкостной связи с индивидуальным считывающим резонатором и прямой емкостной связи с соседними кубитами.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

на фиг. 1 - эквивалентная схема двухэлектродного кубита;

на фиг. 2 - спектр (уровни энергии) двухэлектродного кубита в зависимости от внешнего магнитного потока Ф^х для характерных параметров;

на фиг. 3 - пример подключения индивидуальной гальванически встроенной линии для быстрой перестройки частоты кубита;

на фиг. 4 - расчет зависимости времени релаксации двухэлектродного кубита от внешнего магнитного потока Ф^х в контуре кубита для характерных параметров системы: E_J=2,24 ГГц, где: - квант магнитного потока, - постоянная планка, с - скорость света, е - заряд электрона), С_1,2=70,1 фФ, C_J=1,3 фФ и величины взаимной индуктивности М=20 пГн;

на фиг. 5 - гетеродинная схема формирования управляющих микроволновых сигналов для кубитов с частотой выше 1 ГГц;

на фиг. 6 - упрощенная схема формирования микроволновых импульсных сигналов для кубитов с частотой ниже 1 ГГц;

на фиг. 7а - двухэлектродный кубит, емкостно связанный с четвертьволновым резонатором (аналогичная связь возможна с другими кубитами);

на фиг. 7б - пример топологии (приведен не в масштабе) двухэлектродного кубита, емкостно связанного с четвертьволновым резонатором.

Эквивалентная электрическая схема двухэлектродного кубита изображена на фиг. 1,

где 1 и 2 - первый и второй электроды туннельного джозефсоновского контакта J_f, обеспечивающего нелинейность, с энергией E_J и эквивалентной емкостью C_J; C₁ и С₂ распределенные взаимные емкости на землю электродов 1 и 2 туннельного джозефсоновского контакта соответственно;

L₁ и L₂ - кинетические индукторы (изготовленные из материалов с большой кинетической индуктивностью или линейных массивов туннельных джозефсоновских контактов большой площади, например 1000×500 нм, с числом контактов больше 20), соединенные с первым и вторым электродом туннельного джозефсоновского контакта, таким образом, что образуется замкнутый контур, а электрод между L₁ и L₂ с противоположенной стороны от туннельного джозефсоновского контакта заземлен;

Ф^х - внешний магнитный поток в контуре кубита, позволяющий перестраивать частоту основного перехода.

Для определения параметров системы, таких как частота основного перехода и ангармонизм, необходимо записать ее Гамильтониан. Данная цепь имеет две степени свободы. Сначала задаются обобщенные переменные потока для каждого узла (узел 1 и 2 на фиг. 1) системы ϕ₁, ϕ₂, соответствующие напряжениям и записывается ее лагранжиан как: L=Т-U, в результате получим:

После этого выполняется переход к физически более обоснованным переменным связанным с нормальными модами линеаризованной схемы в отсутствие беспорядка (под отсутствием беспорядка подразумевается равенство кинетических индукторов L₁=L₂=L, и распределенных взаимных емкостей С₁=С₂=С, обозначения соответствуют введенным на фиг. 1). Переход осуществляется с помощью соотношений:

Мода связана с разностью фаз на джозефсоновском контакте (обозначен J_f - на фиг. 1) и, таким образом, является нелинейной, мода не смещает переход и, следовательно, является полностью гармонической модой. Таким образом, в отсутствие беспорядка гамильтониан системы может быть записан как:

где - оператор Гамильтона квантового осциллятора;

- оператор Гамильтона традиционного кубита-флуксониума;

- операторы числа куперовских пар, канонически сопряженные соответственно.

Здесь также введены безразмерные переменные внешнего магнитного потока (обозначение Ф^х соответствует введенному на фиг. 1), индуктивная энергия E_L=(Ф₀/2π)²/L (L - индуктивность), эквивалентная зарядовая энергия моды флуксониума где C_f=(C+C_J)/2, эквивалентная зарядовая энергия гармонической моды Мода флуксониума играет роль кубита.

Спектр системы, представленный на фиг. 2, в зависимости от внешнего потока Ф^x получен для численной модели с параметрами: E_J=2,24 ГГц,

Собственные значения на графике отмечены где n_h - число заполнения гармонической моды, а - число заполнения моды флуксониума. Из графика видно, что частота гармонической моды (переход |0,0> - >|1,0>) равна 2,0 ГГц, частота основного перехода моды флуксониума (переход |0,0> - >|0,1>) изменяется от 625 МГц в точке вырождения внешнего магнитного потока до 3,31 ГГц при нулевом значении внешнего магнитного потока, ангармонизм моды флуксониума (разность частот переходов |0,1> - >|0,2> и |0,0> - >|0,1>) в точке вырождения внешнего магнитного потока составляет величину порядка 1,9 ГГц.

Как видно из графика (см фиг. 2), частота основного перехода моды флуксониума системы в точке вырождения магнитного потока равна 625 МГц, а ангармонизм составляет величину порядка 1,9 ГГц. Таким образом, система позволяет реализовать сверхпроводниковый кубит с частотой основного перехода ниже 1 ГГц, что позволит уменьшить диэлектрические потери в поверхностном слое, и ангармонизмом выше 1 ГГц, что снижает ограничение на время выполнения однокубитных операций до нескольких наносекунд. На фиг. 3 представлен вариант гальванического подключения потоковой линии создания и контроля магнитного потока в контуре системы с величиной взаимной индуктивности М, такой что М << L_1,2, обозначение соответствует введенному на фиг. 2. L_f - индуктивность фильтра, установленного в линии контроля магнитного потока (может отсутствовать в реальном исполнении).

Оценка ограничения времени релаксации кубита из-за гальванической связи с потоковой линией производится согласно формуле:

где - матричный элемент потока моды флуксониума.

Результат численного расчета, для параметров системы, используемых для получения спектра на фиг. 2 и для величины М=20 пГн (оценка индуктивности сверхпроводящего провода длиной 30 мкм, изготовленного в планарной геометрии) представлен на фиг. 4. Время релаксации в точке вырождения магнитного потока выше 1,9 мс.

На фиг. 5 приведено изображение гетеродинной схемы формирования управляющих микроволновых сигналов для кубитов с частотой выше 1 ГГц, где: LO - источник синусоидального сигнала, работающий в непрерывном режиме на частоте ω_LO, AWG - генератор сигналов произвольной формы, генерирующий импульсы на частоте ω_AWG с заданной формой и заданной длительностью импульса ; I,Q - квадратурный смеситель для формирования импульсного сигнала на частоте кубита ω_d=ω_q=ω_LO+ω_AWG.

На фиг. 6 изображена схема формирования и подачи микроволновых импульсов для управления состоянием кубитов с частотой ниже 1 ГГц, где: AWG - генератор сигналов произвольной формы, генерирующий импульсы на частоте кубита ω_AWG=ω_q с заданной формой и заданной длительностью импульса

Из сравнения фиг. 5 и фиг. 6 очевидна возможность упрощения системы контроля кубитов, путем отказа от источника синусоидального сигнала, квадратурных смесителей и использованием только одного канала генератора сигналов произвольной формы для формирования управляющих кубитом микроволновых импульсов в случае использования кубитов с частотой основного перехода ниже 1 ГГц. Более того, в случае гальванической связи с потоковой линией этот же канал генератора сигналов произвольной формы может использоваться для подачи управляющего потоком сигнала. В результате и для контроля частоты кубита и для контроля его состояний может использоваться только один канал генератора сигналов произвольной формы.

Для демонстрации возможностей масштабирования приведен пример реализации емкостной связи кубита со считывающим резонатором, изображенный на фиг. 7.

Таким образом достигается заявляемый технический результат, а именно, возможность реализации сверхпроводникового кубита, с частотой основного перехода ниже 1 ГГц, и ангармонизмом выше 1 ГГц, обладающего улучшенными когерентными свойствами, допускающего возможность масштабирования для создания многокубитных систем, а также допускающего возможность реализации и использования индивидуальных линий контроля состоянием кубита и/или индивидуальных гальванически встроенных линий для быстрой перестройки частоты кубита, что упрощает систему управления кубитом.

Такое техническое решение улучшает когерентные свойства кубита и упрощает систему управления кубитом.

Двухэлектродный быстроперестраиваемый по потоку сверхпроводниковый кубит на основе кинетической индуктивности относится к системам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов. Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение когерентных свойств кубита, упрощение системы управления кубитом и упрощение процесса масштабирования. Технический результат достигается тем, что кубит содержит два кинетических индуктора, при этом первый электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом первого кинетического индуктора, второй электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом второго кинетического индуктора, а вторые электроды первого и второго кинетических индукторов соединены между собой и заземлены 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двухэлектродный быстроперестраиваемый по потоку сверхпроводниковый кубит на основе кинетической индуктивности, реализованный в виде эквивалентной электрической схемы, которая включает в себя два кинетических индуктора с двумя электродами каждый, туннельный джозефсоновский контакт, обеспечивающий нелинейность, оба электрода которого имеют распределенные емкости на землю, при этом первый электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом кинетического индуктора, второй электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом второго кинентического индуктора, а вторые электроды первого и второго кинетических индукторов соединены между собой и заземлены, таким образом, что два кинентических индуктора и туннельный джозефсоновский контакт формируют замкнутый контур.

2. Двухэлектродный кубит по п. 1, отличающийся тем, что в замкнутый контур между двумя кинетическими индукторами гальванически встроена линия контроля магнитного потока.

3. Двухэлектродный кубит по п. 1, отличающийся тем, что распределенные взаимные емкости на землю каждого из электродов туннельного джозефсоновского контакта используются для прямой емкостной связи с индивидуальным считывающим резонатором и прямой емкостной связи с соседними кубитами.