本发明属于量子计算技术领域，尤其涉及一种超导量子比特和包含该超导量子比特的超导量子电路。
背景技术：
量子计算技术是第二次信息革命的明珠。由于量子力学的叠加性和纠缠性，基于量子比特的量子计算机或模拟机能够提供远超经典计算机的计算能力，为解决某些计算难题提供可行的解决方案。基于超导约瑟夫森电路的超导量子电路是目前最有希望、技术成熟度最高的技术方案之一。超导量子电路的基本单元是超导量子比特，一般由电容、电感及约瑟夫森结等无损元件构成，其中约瑟夫森结为电路提供了必要的非线性，使得能级间距不等，从而能够使用其中两个能级(一般是基态和第一激发态)作为准二能级系统来构造量子比特。
目前的超导量子电路中，最为流行的量子比特为transmon/xmon，这种量子比特具有结构简单、退相干时间长、易于操控和读出等特点，因而得到广泛的采用，包括google、ibm等大型科技公司在内的很多研发机构都采用这种技术方案。但transmon/xmon也有不足之处，由于增大了比特中的电容，虽然大幅抑制了电荷噪声，但同时也大幅削弱了量子比特的非线性，导致进行操控时容易造成态的泄露，无法提高操控的速度。此外，弱非线性还导致能级密集，当集成的比特数增加时，容易出现频率拥挤问题，不利于大规模的集成。其他具有很高非线性的量子比特，如电荷量子比特(chargequbit，或cooperpairbox)、磁通量子比特(fluxqubit)等，则退相干时间难以提高。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种超导量子比特，其包括彼此并联的旁路电容、第一约瑟夫森结和多个第二约瑟夫森结的串联阵列，
其中，所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列的总结电感与所述第一约瑟夫森结的结电感的比值范围为80％～120％。
根据本发明的超导量子比特，优选地，控制所述第一约瑟夫森结和所述第二约瑟夫森结的结面积的比值以使得所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列的总结电感与所述第一约瑟夫森结的结电感的比值范围为80％～120％。
根据本发明的超导量子比特，优选地，所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列包括n个相同的第二约瑟夫森结，n为大于等于2的正整数。
根据本发明的超导量子比特，优选地，所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列的总结电感与所述第一约瑟夫森结的结电感相等。
根据本发明的超导量子比特，优选地，所述旁路电容为共面型电容。
另一方面，本发明还提供了一种超导量子电路，其包括根据本发明的超导量子比特。
根据本发明的超导量子电路，优选地，还包括外磁通施加部件，用于给所述第一约瑟夫森结和所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列构成的环路提供外磁通φext。
根据本发明的超导量子电路，优选地，所述外磁通
根据本发明的超导量子电路，优选地，所述外磁通施加部件为电流偏置线或线圈。
根据本发明的超导量子电路，优选地，还包括微波控制线，用于实现对所述超导量子比特的量子态的旋转操作。
与现有技术相比，本发明的超导量子比特具有高非线性和长退相干时间。高非线性意味着可以进行更高速的量子态操控(量子门)以及更低的量子态泄露，而退相干时间是造成量子门出错的主要原因，提高退相干时间意味着更低的门操作错误率。因此，本发明的超导量子比特对未来量子计算发展有重要的应用前景。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的超导量子比特的等效电路结构图；
图2为根据本发明实施例的超导量子比特的势能和能级分布图；
图3示出根据本发明实施例的超导量子比特的e0与e1的能级差e01和e1和e2的能级差e12随小结临界电流ic的变化情况；
图4示出根据本发明的超导量子电路的示例；以及
图5为图4所示的超导量子电路中的超导量子比特的能谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
约瑟夫森结(josephsonjunction)，本发明中采用超导隧道结，一般是由两块超导体夹以某种很薄的势垒层(厚度≤库伯电子对的相干长度)而构成的结构，例如s(超导体)-i(绝缘体)-s(超导体)结构，简称sis。在其中超导电子对可以通过隧道效应而从一边穿过绝缘体薄膜到达另一边。当没有电压时超导体间的电流称作约瑟夫森电流(josephsoncurrent)，而库伯电子对通过势垒层的运动称作约瑟夫森隧穿(josephsontunneling)。
参见图1所示的本发明实施例的超导量子比特的等效电路结构图，其包括旁路电容csh、约瑟夫森结和约瑟夫森结串联阵列。
旁路电容csh，一般采用共面型电容，容值c一般选择在20-100ff水平，根据最终能级结构的需求而定。
约瑟夫森结，其相位为
约瑟夫森结串联阵列，其相位为
其中，旁路电容、小结和大结阵彼此并联，小结和大结阵构成了一个磁通环路，在本发明中，要求小结的结电感lj与大结阵的总结电感nlj大致相等，即一般大结阵的电感为小结的电感的(100-20)％～(100 20)％。在超导量子比特的工作过程中，环路中的各个约瑟夫森结的相位都受到外磁通(外加磁通量)φext的影响，其优选地通过电流偏置线或外部线圈提供。具体地，外磁通偏置φext在φ0/2附近，φ0为单位磁通量子，其值等于h/2e(约为2.067833758×10-15wb)，其中，h为普朗克常数，e为电子电荷。
该实施例的超导量子比特的简化哈密顿量如下：
其中第一项为旁路电容上的电荷能，
可以看到，式中势能项二次方项被抵消，势能主要由四次方项决定，因此这个哈密顿量具有很高的非线性。
为了验证本发明的效果，发明人采用一组典型参数：c＝27ff，lj＝6.58nh(对应ej＝248ghz),α＝0.1，n＝10，将其代入上述公式(2)计算超导量子比特的势能和能级分布图，如图2所示。在图2中，实线为势能曲线，由下往上分别为通过求解薛定谔方程得到的基态(e0)、第一激发态(e1)和第二激发态(e2)的能级及波函数示意图，从图中可以看出，e0与e1的能级差e01为5.43ghz，e1和e2的能级差e12为7.14ghz，非线性度δ＝e12-e01＝1.71ghz。
图3示出本发明的超导量子比特的e0与e1的能级差e01和e1和e2的能级差e12随小结临界电流ic的变化情况。图3中的曲线①为e01随小结临界电流ic的变化关系，曲线②为e12随小结临界电流ic的变化关系。中间的灰度区间为本发明的量子比特的合适的参数区间。固定大结参数不变(lj＝0.658nh)，当小结临界电流逐渐减小，对应α逐渐减小时，量子比特的行为将越来越接近transmon型量子比特，量子态为等离子振荡态，而当小结临界电流逐渐增大，α逐渐增大时，其行为越来越接近fluxqubit量子比特，量子态为不同方向的超导环流态。在该实施例中，选择小结的临界电流ic＝50na，合适的参数区间为40～60na。
下面给出本发明的超导量子比特的具体示例，如图4所示的包含本发明的超导量子比特的超导量子电路。其中，1为电容电极，2为小结，3为大结阵，4为大地，5为电流(磁通)偏置线，6为微波控制线。电容电极1与大地4之间的电容，以及小结2、大结阵3的电容构成了量子比特的电容，小结2与大结阵3组成一个小的环路，环路外磁通由电流(磁通)偏置线5上施加一定的电流来控制，微波控制线6与量子比特有很弱的电容耦合，相当于一个天线。在微波控制线6上施加微波脉冲，可以实现对量子比特量子态的旋转操作，从而实现对量子比特的全自由度操控。图4中量子比特设计参数与上述计算例子给出的参数一致。图5为该设计结构的能谱图，图中e01＝e1-e0≈3.5ghz，e02＝e2-e0≈8ghz，由此推导出该量子比特的非线性度δ～1ghz，该数据与前面理论计算数据的偏移是由于因为实际器件制备过程中的非理想因素(比如图形转移不准确、寄生的几何电感等)造成的。
理论和实验都证明，本发明的超导量子比特的非线性度远高于目前普遍采用的transmon/xmon量子比特的非线性度(～200-300mhz)。
对于约瑟夫森结，结电感lj＝φ0/2πic，约瑟夫森特征能量
本发明实施例的通过控制结面积比来控制结电感比的方式便捷可靠，本领域技术人员还可以采用本领域公知的其他方式来控制结电感比。
根据本发明的其他实施例，大结阵中的每个约瑟夫森结不是完全相同的，只要保证小结的电感与大结阵的总电感的比值在(100-20)％～(100 20)％即可。
根据本发明的其他实施例，本发明的量子比特工作时外加磁通量为
根据本发明的其他实施例，旁路电容采用本领域公知的任意电容部件，例如共面电容、平行板电容等。
本发明的超导量子比特量子态的旋转操控并不限于实施例中所提供的方式，本领域公知的量子态旋转操控方式都适用于本发明。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
1.一种超导量子比特，其包括彼此并联的旁路电容、第一约瑟夫森结和多个第二约瑟夫森结的串联阵列，
其中，所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列的总结电感与所述第一约瑟夫森结的结电感的比值范围为80％～120％。
2.根据权利要求1所述的超导量子比特，其中，控制所述第一约瑟夫森结和所述第二约瑟夫森结的结面积的比值以使得所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列的总结电感与所述第一约瑟夫森结的结电感的比值范围为80％～120％。
3.根据权利要求1所述的超导量子比特，其中，所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列包括n个相同的第二约瑟夫森结，n为大于等于2的正整数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的超导量子比特，其中，所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列的总结电感与所述第一约瑟夫森结的结电感相等。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的超导量子比特，其中，所述旁路电容为共面型电容。
6.一种超导量子电路，其包括根据权利要求1-5中任一项所述的超导量子比特。
7.根据权利要求6所述的超导量子电路，还包括外磁通施加部件，用于给所述第一约瑟夫森结和所述多个第二约瑟夫森结的串联阵列构成的环路提供外磁通φext。
8.根据权利要求7所述的超导量子电路，其中，所述外磁通
9.根据权利要求7或8所述的超导量子电路，其中，所述外磁通施加部件为电流偏置线或线圈。
10.根据权利要求7或8所述的超导量子电路，还包括微波控制线，用于实现对所述超导量子比特的量子态的旋转操作。
技术总结