СИСТЕМА И МЕТОД КОНТРОЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМИ КУБИТАМИ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ ИНДУКТИВНОСТИ Российский патент 2023 года по МПК G06N10/40 

Система и метод контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности относится к средствам квантовой обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов и может использоваться для построения и создания многокубитных систем: квантовых процессоров и (или) квантовых симуляторов, работающих при температурах ниже 20 мК.

Известна система и метод для контроля сверхпроводниковых кубитов, описанные в патенте US 10572816 В1, позволяющие выполнять квантовые вычисления на многокубитной системе, состоящей из двух и более кубитов-флуксониумов, связанных между собой посредством емкостной или индуктивной связи, и в которой по крайней мере один из кубитов емкостно связан с микроволновым источником. Система позволяет выполнять двухкубитную операцию, контролируемое Z (CZ) между связанными кубитами, и также подразумевает возможность создания одномерных или двумерных массивов кубитов.

Недостатком данной системы является отсутствие возможности контроля и управления величиной силы связи между соседними кубитами в многокубитной схеме, вследствие чего нет возможности полного отключения взаимодействия между соседними кубитами на время проведения однокубитных операций и, как результат, наличие постоянных ошибок выполнения однокубитных вентильных операций в ходе квантовых вычислений. Недостатком системы является также отсутствие гальванически связанных линий контроля магнитного потока в контурах кубитов и каплеров, для быстрой перестройки частот кубитов и каплеров, а также подачи микроволновых сигналов для реализации однокубитных и двухкубитных вентильных операций.

Известна система квантового когерентного контроля сверхпроводниковых кубитов, описанная в работе (Niskanen А.О., et al., Science 316, 723 (2007), которая состоит из трех четырехконтактных потоковых кубитов, где один джозефсоновский контакт в два раза меньше остальных, причем два крайних кубита с энергиями основного перехода Δ₁ и Δ₂ отстроены в точку вырождения магнитного потока (половину кванта магнитного потока Ф_1,2 ≈Ф₀/2) и связаны посредством взаимной индуктивности с центральным кубитом с энергией Δ₃, которая выше чем Δ₁ и Δ₂, и который отстроен из точки вырождения магнитного потока. В схеме присутствует единственная линия контроля потока, а площади контуров кубита 1 и 2 совпадают с точностью 0.5%, для того чтобы Ф₁ ≈ Ф₂. В этой системе двухкубитные вентильные операции реализуются посредством параметрической модуляции потока центрального кубита с частотой равной либо суммарной частоте первого и второго кубитов (Δ₁+Δ₂), либо на разностной частоте (Δ₁-Δ₂).

Недостатком системы является использование потоковых кубитов с частотой основного перехода (выше нескольких гигагерца), что влечет за собой высокие диэлектрические потери в поверхностном слое и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования однокубитных и двухкубитных микроволновых импульсных сигналов. Недостатком системы является также отсутствие индивидуальных линий контроля потока каждого отдельного кубита и элемента связи, что ограничивает функциональность всей системы и затрудняет возможность ее масштабирования.

Известна архитектура двухкубитной системы, описанная в работе [Chen Y, Neill С, Roushan Р, Leung N, Fang M, Barends R, Kelly J, Campbell B, Chen Z, Chiaro B, Dunsworth A, Jeffrey E, Megrant A, Mutus JY, O'Malley PJ, Quintana CM, Sank D, Vainsencher A, Wenner J, White TC, Geller MR, Cleland AN, Martinis JM. Qubit Architecture with High Coherence and Fast Tunable Coupling. Phys Rev Lett. 2014 Nov 28; 113(22):220502. doi: 10.1103/PhysRevLett.113.220502. Epub 2014 Nov 26. PMID: 25494061], состоящая из двух кубитов-трансмонов, перестраиваемых по частоте посредством индивидуальных индуктивно связанных линий контроля магнитного потока в СКВИДе (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device - «сверхпроводящий квантовый интерферометр») кубита, и гальванически связанных через джозефсоновский переход, выполняющий роль перестраиваемой индуктивности для управления величиной взаимодействия между кубитами. Дополнительная линия контроля позволяет динамически перестраивать связь между кубитами для реализации двухкубитных вентилей.

Недостатком данной системы является использование кубитов-трансмонов с частотой основного перехода выше нескольких гигагерц и низкой величиной ангармонизма (порядка нескольких сотен мегагерц). Высокая частота основного перехода кубита влечет за собой высокие диэлектрические потери в поверхностном слое и необходимость использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов. Низкий ангармонизм кубитов ограничивает скорость выполнения однокубитных и двухкубитных вентильных операций. Недостатком системы также является использование индуктивно связанных со СКВИДами кубитов линий контроля магнитного потока, что приведет к подаче больших управляющих токов в отличие от использования гальванически связанных линий контроля.

Наиболее близким техническим решением является система связи для обеспечения взаимодействия между двумя сверхпроводниковыми кубитами, описанная в патенте US 007898282 B2, включающая в себя петлю из сверхпроводящего материала, в которую встроен джозефсоновский переход или DC-СКВИД, состоящий из двух параллельных джозефсоновских контактов, имеющую взаимную индуктивность для связи с первым сверхпроводниковым кубитом и взаимную индуктивность для связи со вторым сверхпроводниковым кубитом, каждый из которых выполнен в виде петли из сверхпроводящего материала со встроенным джозефсоновским контактом или DC-СКВИДом. Магнитный поток в основной петле элемента связи, а также в контуре его DC-СКВИДа (при наличии), используется для обеспечения ферромагнитной связи, антиферромагнитной связи и/или нулевой связи между первым и вторым сверхпроводниковыми кубитами.

Недостатком прототипа является использование взаимной индуктивности сверхпроводящих проводов, образующих контуры кубитов и элемента связи, величина которой значительно ниже в отличие от случая гальванически связанных контуров кубитов. Более того, так как величина взаимодействия, обусловленного взаимной индуктивностью между кубитом и элементом связи, пропорциональна отношению взаимной индуктивности к индуктивности контура кубита и элемента связи, то использование такой системы не целесообразно для кубитов на основе высокой кинетической индуктивности, имеющих низкую частоту основного перехода (ниже одного гигагерца) с меньшими диэлектрическими потерями в поверхностном слое и не нуждающихся в использовании гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубит микроволновых импульсных сигналов. Дополнительным недостатком данной системы является использование индуктивно связанной линии контроля магнитного потока в контуре элемента связи, что приводит к необходимости подачи больших управляющих токов.

Целью предполагаемого изобретения является реализация эффективного перестраиваемого опосредованного взаимодействия между вычислительными кубитами на основе высокой кинетической индуктивности с улучшенными когерентными свойствами и упрощенной процедурой контроля состояниями кубитов.

Техническим результатом является разработка системы и метода контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности, обладающими частотой основного перехода ниже 1 ГГц и не требующие использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубиты микроволновых импульсных сигналов.

Технический результат достигается тем, что система содержит две двухэлектродные системы на основе кинетической индуктивности и одну связующую одноэлектродную систему на основе кинетической индуктивности, каждая двухэлектродная система имеет линейную моду, не перестраиваемую по частоте, и нелинейную моду, перестраиваемую по частоте, в то время как одноэлектродная система имеет только нелинейную моду, причем линейные моды первой и второй двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану гармонического осциллятора, а нелинейные моды первой, второй двухэлектродных систем и связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану кубита-флуксониума, при этом роль первого вычислительного кубита выполняет нелинейная мода первой двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, роль второго вычислительного кубита выполняет нелинейная мода второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, роль перестраиваемого связующего кубита выполняет нелинейная мода связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, расположенная между первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности, причем кинетические индуктивности связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности гальванически связаны с одной из кинетических индуктивностей первой и второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, таким образом, что гальванические связи с первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности симметричны, при этом первая, вторая двухэлектродные системы на основе кинетической индуктивности реализованы в виде эквивалентной электрической схемы, которая включает в себя два кинетических индуктора с двумя электродами, туннельный джозефсоновский контакт с двумя электродами, обеспечивающий нелинейность, оба электрода которого имеют распределенные взаимные емкости на землю, 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, при этом связующая одноэлектродная система на основе кинетической индуктивности реализована в виде эквивалентной электрической схемы, которая включает в себя два кинетических индуктора с двумя электродами, джозефсоновский контакт с двумя электродами, обеспечивающий нелинейность, первый электрод которого имеет распределенную взаимную емкость на землю, при этом первый электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом первого кинетического индуктора, и первым электродом второго кинетического индуктора, а вторые электроды джозефсоновского контакта и кинетических индукторов соединены между собой и заземлены, таким образом, что первый кинетический индуктор и джозефсоновский контакт формируют первый замкнутый контур, а второй кинетический индуктор и джозефсоновский контакт формируют второй замкнутый контур, причем в замкнутый контур первой и второй двухэлектродной систем на основе кинетической индуктивности между вторыми электродами первого и второго кинетических индукторов гальванически встроены линии контроля магнитного потока, а в замкнутые контура связующей одноэлектродной систем на основе кинетической индуктивности между вторыми электродами кинетических индукторов и джозефсоновского контакта гальванически встроены линии контроля магнитного потока, при этом частоты первого и второго вычислительных и перестраиваемого связующего кубита в точке вырождения магнитного потока, когда магнитный поток в контуре каждого из кубитов по абсолютному значению равен половине кванта магнитного потока, меньше, чем частоты линейных мод первой и второй двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности, при этом разность частот первого и второго вычислительных кубитов в точке вырождения магнитного потока меньше, чем ангармонизм каждого из кубитов, кроме того, рабочая точка первого и второго вычислительных кубитов, в которой происходит выполнение однокубитных операций, соответствует точке вырождения магнитного потока, при этом сумма частот первого и второго вычислительных кубитов, помещенных в свои рабочие точки, меньше, чем частота перестраиваемого связующего кубита, помещенного в его точку вырождения магнитного потока, а минимуму взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей одноэлектродной системы равное нулю, а максимуму взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока близкое по абсолютному значению половине кванта магнитного потока, причем взаимодействие между первым и вторым вычислительными кубитами индуцирует дополнительный набег фазы на одном из двух вычислительных кубитов.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

на фиг. 1 - эквивалентная электрическая схема сверхпроводниковой многокубитной схемы связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью;

на фиг. 2 - примерная топология (не в масштабе) сверхпроводниковой многокубитной схемы связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью, выполненная в планарной архитектуре;

на фиг. 3 - результаты численного расчета зависимости собственных значений энергии системы, где собственные значения обозначены как |n_Q1,n_Q2>, где n_Q1 - число заполнения энергетических уровней первого кубита и n_Q2 - число заполнения энергетических уровней второго кубита, от величины внешнего магнитного потока в контуре перестраиваемого элемента связи «Coupler»;

на фиг. 4 - результаты численного расчета зависимости величины связи между первым вычислительным кубитом «Qubit 1» и вторым вычислительным кубитом «Qubit 2», помещенных в минимум частоты, путем выставления внешнего магнитного потока в контуре каждого из кубитов равном 0.5Ф₀ (точка вырождения магнитного потока), от величины внешнего магнитного потока в контуре перестраиваемого элемента связи «Coupler», где - величина эффективного ZZ взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами (в данном случае величина эффективного ZZ взаимодействия определяется согласно формуле 2);

Эквивалентная электрическая схема сверхпроводниковой многокубитной гальванической схемы связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью показана на фиг. 1. Сверхпроводниковая многокубитная схема связи состоит из первой и второй двухэлектродных и связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности. Двухэлектродные системы (за исключением связующей) имеют линейные моды («h₁», «h₂»), не перестраиваемые по частоте, и нелинейные моды («f₁», «f₂»), перестраиваемые по частоте, одноэлектродная связующая система имеет перестраиваемую по частоте нелинейную моду («f_C») причем линейные моды первой, второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану гармонического осциллятора, а нелинейные моды первой, второй и связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану кубита-флуксониума,

Гальванически встроенные линии контроля магнитного потока первой и второй двухэлектродных систем используются для перестройки частот первого и второго вычислительных кубитов, для подачи микроволновых сигналов для реализации однокубитных операций, а гальванически встроенная линия контроля магнитного потока связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности используется для быстрого изменения величины взаимодействия между первым и вторым вычислительным кубитом для совершения двухкубитных операций.

Черным цветом выделены первая и вторая двухэлектродные системы на основе кинетической индуктивности. Первая состоит из туннельного контакта «J₁», обеспечивающего нелинейность, с энергией E_J1 и эквивалентной емкостью «С₁₂», оба электрода 1 и 2 которого имеют распределенные взаимные емкости на землю «C₁» и «С₂» соответственно. Электрод 1 соединен с большим кинетическим индуктором «L₁», электрод 2 соединен с большим кинетическим индуктором «L₂₃», соединенным с электродом 3. Электрод 3 соединен с большими кинетическими индукторами «L₃» и «L₃₄», последний выделен оранжевым цветом и является элементом связи между первой двухэлектродной и связующей одноэлектродной системой на основе кинетической индуктивности. Большие кинетические индукторы «L₁», «L₂₃», «L₃» совместно с джозефсоновским контактом «J₁» образуют замкнутый контур, при этом электрод между двумя кинетическими индукторами «L₁» и «L₃» заземлен.

Вторая состоит из туннельного контакта «J₂», обеспечивающего нелинейность, с энергией E_J2 и эквивалентной емкостью «C₈₉», оба электрода 8 и 9 которого имеют распределенные взаимные емкости на землю «C₈» и «С₉» соответственно. Электрод 9 соединен с большим кинетическим индуктором «L₉», электрод 8 соединен с большим кинетическим индуктором «L₇₈», соединенным с электродом 7. Электрод 7 соединен с большими кинетическими индукторами «L₇» и «L₆₇», последний выделен оранжевым цветом и является элементом связи между второй двухэлектродной и связующей одноэлектродной системой на основе кинетической индуктивности. Большие кинетические индукторы «L₇», «L₇₈», «L₉» совместно с джозефсоновским контактом «J₂» образуют замкнутый контур, при этом электрод между двумя кинетическими индукторами «L₇» и «L₉» заземлен.

Синим цветом выделена связующая одноэлектродная система на основе кинетической индуктивности, состоящая из туннельного джозефсоновского контакта «J_C», обеспечивающего нелинейность, с энергией E_JC и эквивалентной емкостью «C_JC», электрод 5 которого соединен с двумя большими кинетическими индукторам «L₄₅» и «L₅₆», соединенными с электродами 4 и 5 соответственно. Электроды 4 и 6 соединены с большими кинетическими индуктивностями «L₃₄», «L₄» и «L₆₇», «L₆» соответственно. Большие кинетические индукторы «L₃₄» и «L₆₇» выделены оранжевым цветом и являются элементами связи между одноэлектродной связывающей системой на основе кинетической индуктивности и первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности соответственно. Большие кинетические индукторы «L₄» и «L₄₅» формируют совместно с джозефсоновским контактом «J_C» замкнутый контур. Большие кинетические индукторы «L₆» и «L₅₆» формируют совместно с джозефсоновским контактом «J_C» замкнутый контур. Электрод между двумя кинетическими индукторами «L₄» и «L₆» заземлен.

Все электроды, которым соответствуют квантовые степени свободы выделены черным цветом, классические - красным. Зеленым цветом выделены линии индивидуального контроля потока в контурах одно- и двухэлектродных систем на основе большой кинетической индуктивности. «l₁» и «l₂» - индуктивности линий индивидуального контроля потока в контурах первой и второй двухэлектродных систем на основе большой кинетической индуктивности соответственно. «l_c1» и «l_c2» - индуктивности линий индивидуального контроля потока в первом и втором контурах одноэлектродной системы на основе большой кинетической индуктивности соответственно. Коричневым цветом выделена земля.

Нелинейные моды двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности являются вычислительными кубитами, связующая одноэлектродная система на основе кинетической индуктивности является перестраиваемым каплером. Вычислительные кубиты гальванически связаны с каплером.

Гамильтониан представленной схемы имеет вид:

где - независимый гамильтониан первого вычислительного кубита «Qubit 1» (нелинейная мода «f₁»);

- независимый гамильтониан второго вычислительного кубита «Qubit 2»(нелинейная мода «f₂»);

- независимый гамильтониан элемента связи «Coupler» (нелинейная мода «f_C»);

- эффективное взаимодействие, обусловленное гальваническими элементами связи «L₃₄» и «L₆₇».

Примерная топология схемы, включающая дополнительно индивидуальные резонаторы для считывания, представлена на фиг. 2. Расцветка приведена в соответствие с фиг. 1, красным цветом выделены индивидуальные резонаторы для считывания.

Численный расчет гамильтониана системы производился при следующих параметрах:

E_J1=4,05 ГГц,

E_J2=6,05 ГГц,

E_JC=3,01 ГГц,

L₁=L₉=174,5 нГн,

L₂₃=L₇₈=150,9 нГн,

L₃=L₇=23,6 нГн,

L₄₅=L₅₆=99,8 нГн,

L₄=L₆=112,9 нГн,

L₃₄=L₆₇=78,7 нГн,

C₁₂=C₈₉=7,4 фФ

C₁=C₂=C₈=C₉=24,8 фФ

C₅=15,01 фФ.

Сначала проводится расчет собственных значений энергии и матричных элементов потока всех независимых гамильтонианов системы. После этого задается полный гамильтониан системы, где учитываются семь первых энергетических уровней в нелинейной моде первого, второго кубитов и элемента связи («f₁», «f₂» и «f_C»), а также соответствующие матричные элементы заряда для задания слагаемых, ответственных за взаимодействие, и производится его численная диагонализация.

Результаты численной диагонализации системы могут быть использованы для вычисления эффективной величины ZZ взаимодействия между кубитами.

где: σ_ZZ - эффективная величина ZZ взаимодействия между кубитами,

ω₁₀ - частота перехода двухкубитной системы, соответствующая возбуждению только первого вычислительного кубита,

ω₀₁ - частота перехода двухкубитной системы, соответствующая возбуждению только второго вычислительного кубита,

ω₁₁ - частота перехода двухкубитной системы, соответствующая одновременному возбуждению первого и второго вычислительных кубитов.

Результаты численной диагонализации системы представлены на фиг. 3-4, при расчете первый и второй вычислительные кубиты помещаются в свои рабочие точки. Магнитный поток меняется только с помощью линий индивидуального контроля потока в контурах одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности. Ввиду наличия гальванических элементов связи возникают паразитные потоки внутри контуров первой и второй двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности. Данный эффект учитывается как линейный сдвиг матричных элементов потока для перестраиваемого элемента связи «Coupler».

Первые четыре собственных значения системы (Е - Е₀) в зависимости от величины внешнего магнитного потока в перестраиваемом элементе связи нормированного на квант магнитного потока (Ф_ext/Ф₀) представлены на фиг. 3. Собственные значения выделены цветом и обозначены как |n_Q1n_Q2〉, где n_Q1 - число заполнения энергетических уровней первого кубита и n_Q2 - число заполнения энергетических уровней второго кубита, Синим цветом выделено основное состояние системы, красным цветом выделено возбужденное состояние только первого вычислительного кубита, зеленым цветом выделено возбужденное состояние только второго вычислительного кубита, коричневым цветом выделено состояние одновременного возбуждения первого и второго вычислительных кубитов.

На фиг. 4 представлена зависимость эффективного ZZ взаимодействия, вычисленного по формуле (2). Из фиг. 4 видно, что минимуму эффективной величины ZZ взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока в замкнутом контуре элемента связи «Coupler» равное нулю (Ф_ext=0), а максимуму взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей одноэлектродной системы близкое по абсолютному значению к половине кванта магнитного потока (Ф_ext=0,5Ф₀). При этом ZZ взаимодействие влияет на дополнительный набег фазы в кубите в зависимости от состояния второго кубита.

Как видно из фиг. 4 предлагаемая сверхпроводниковая многокубитная схема связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью допускает один способ активации механизма взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами. Он заключается в быстром выставлении внешнего магнитного потока в контуре перестраиваемого элемента связи равного 0,48Ф₀, где Ф₀ - квант магнитного потока, в результате чего ZZ взаимодействия кубитов примет наибольшее значение, на заданное время, и после этого быстром возврате нулевого значения внешнего магнитного потока в результате чего ZZ взаимодействия кубитов примет наибольшее значение, при этом для быстрого выставления внешнего магнитного потока в замкнутом контуре перестраиваемого элемента связи используется гальванически связанные линии контроля магнитного пока в замкнутых контурах связующей одноэлектродной системы. В течение заданного времени произойдет дополнительный набег фазы на одном из двух вычислительных кубитов, в зависимости от состояния другого вычислительного кубита.

Таким образом достигается заявляемый технический результат, а именно, возможность реализации системы и метода контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности, обладающими частотой основного перехода ниже 1 ГГц и не требующие использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубиты микроволновых импульсных сигналов.

Такое техническое решение позволяет использовать сверхпроводниковые кубиты с улучшенными когерентными свойствами, а также упрощает процедуры контроля состояниями вычислительных кубитов и управление величиной взаимодействия между вычислительными кубитами.

Изобретение относится к системе контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности. Технический результат заключается в возможности контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности, обладающими частотой основного перехода ниже 1 ГГц, без необходимости использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубиты микроволновых импульсных сигналов. Система содержит два вычислительных кубита и перестраиваемый связующий кубит, который активирует взаимодействие между двумя вычислительными кубитами, и который гальванически связан с двумя вычислительными кубитами, при этом система содержит две двухэлектродные системы на основе кинетической индуктивности и одну связующую одноэлектродную систему на основе кинетической индуктивности, каждая двухэлектродная система имеет линейную моду, не перестраиваемую по частоте, и нелинейную моду, перестраиваемую по частоте, в то время как одноэлектродная система имеет только нелинейную моду, перестраиваемую по частоте, причем линейные моды первой и второй двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану гармонического осциллятора, а нелинейные моды первой, второй двухэлектродных систем и связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану кубита-флуксониума, при этом роль первого вычислительного кубита выполняет нелинейная мода первой двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, роль второго вычислительного кубита выполняет нелинейная мода второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, роль перестраиваемого связующего кубита выполняет нелинейная мода связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, расположенная между первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности, причем кинетические индуктивности связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности гальванически связаны с одной из кинетических индуктивностей первой и второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, таким образом, что гальванические связи с первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности симметричны. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности, включающая в себя два вычислительных кубита и перестраиваемый связующий кубит, который активирует взаимодействие между двумя вычислительными кубитами, и который гальванически связан с двумя вычислительными кубитами, отличающаяся тем, что

система содержит две двухэлектродные системы на основе кинетической индуктивности и одну связующую одноэлектродную систему на основе кинетической индуктивности, каждая двухэлектродная система имеет линейную моду, не перестраиваемую по частоте, и нелинейную моду, перестраиваемую по частоте, в то время как одноэлектродная система имеет только нелинейную моду, перестраиваемую по частоте, причем линейные моды первой и второй двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану гармонического осциллятора, а нелинейные моды первой, второй двухэлектродных систем и связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану кубита-флуксониума,

при этом роль первого вычислительного кубита выполняет нелинейная мода первой двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, роль второго вычислительного кубита выполняет нелинейная мода второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, роль перестраиваемого связующего кубита выполняет нелинейная мода связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, расположенная между первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности,

причем кинетические индуктивности связующей одноэлектродной системы на основе кинетической индуктивности гальванически связаны с одной из кинетических индуктивностей первой и второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, таким образом, что гальванические связи с первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности симметричны.

2. Система контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности по п. 1, отличающаяся тем, что первая и вторая двухэлектродные системы на основе кинетической индуктивности реализованы в виде эквивалентной электрической схемы, которая включает в себя два кинетических индуктора с двумя электродами, туннельный джозефсоновский контакт с двумя электродами, обеспечивающий нелинейность, оба электрода которого имеют распределенные взаимные емкости на землю, 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, при этом связующая одноэлектродная система на основе кинетической индуктивности реализована в виде эквивалентной электрической схемы, которая включает в себя два кинетических индуктора с двумя электродами, джозефсоновский контакт с двумя электродами, обеспечивающий нелинейность, первый электрод которого имеет распределенную взаимную емкость на землю, при этом первый электрод туннельного джозефсоновского контакта соединен с первым электродом первого кинетического индуктора, и первым электродом второго кинетического индуктора, а вторые электроды джозефсоновского контакта и кинетических индукторов соединены между собой и заземлены, таким образом, что первый кинетический индуктор и джозефсоновский контакт формируют первый замкнутый контур, а второй кинетический индуктор и джозефсоновский контакт формируют второй замкнутый контур.

3. Система контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности по п. 2, отличающаяся тем, что в замкнутый контур первой и второй двухэлектродной систем на основе кинетической индуктивности между вторыми электродами первого и второго кинетических индукторов гальванически встроены линии контроля магнитного потока, а в замкнутые контура связующей одноэлектродной систем на основе кинетической индуктивности между вторыми электродами кинетических индукторов и джозефсоновского контакта гальванически встроены линии контроля магнитного потока.

4. Система контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности по п. 3, отличающаяся тем, что частоты первого и второго вычислительных и перестраиваемого связующего кубита в точке вырождения магнитного потока, когда магнитный поток в контуре каждого из кубитов по абсолютному значению равен половине кванта магнитного потока, меньше, чем частоты линейных мод первой и второй двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности, при этом разность частот первого и второго вычислительных кубитов в точке вырождения магнитного потока меньше, чем ангармонизм каждого из кубитов.

5. Система контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности по п. 4, отличающаяся тем, что рабочая точка первого и второго вычислительных кубитов, в которой происходит выполнение однокубитных операций, соответствует точке вырождения магнитного потока, при этом сумма частот первого и второго вычислительных кубитов, помещенных в свои рабочие точки, меньше, чем частота перестраиваемого связующего кубита, помещенного в его точку вырождения магнитного потока.

6. Система контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности по п. 5, отличающаяся тем, что минимуму взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей одноэлектродной системы равное нулю, а максимуму взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока близкое по абсолютному значению половине кванта магнитного потока.

7. Система контроля взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами на основе высокой кинетической индуктивности по п. 6, отличающаяся тем, что взаимодействие между первым и вторым вычислительными кубитами индуцирует дополнительный набег фазы на одном из двух вычислительных кубитов.