專利名稱：用于量子位狀態(tài)讀出的系統(tǒng)、方法以及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本系統(tǒng)、方法以及裝置涉及在讀出計(jì)算量子位狀態(tài)時(shí)使用鎖存量子位。
背景技術(shù)：
在1936年由Alan Turing描述的圖靈機(jī)是一種理論上的計(jì)算系統(tǒng)。能夠有效地 模擬任何其他圖靈機(jī)的一臺(tái)圖靈機(jī)被稱為通用圖靈機(jī)(UTM)。丘奇-圖靈理論陳述了任何 實(shí)際的計(jì)算模型或者具有一個(gè)UTM的等效運(yùn)算能力或者具有其運(yùn)算能力的一個(gè)子集。一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)是利用一種或者多種量子效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算的任何物理系統(tǒng)。能夠有 效地模擬任何其他量子計(jì)算機(jī)的一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)被稱為通用量子計(jì)算機(jī)(UQC)。1981年Richard P. Feynman提出可以使用量子計(jì)算機(jī)比一臺(tái)UTM更加有效地求解 某些計(jì)算問(wèn)題，并且因此推翻了丘奇-圖靈理論。例如，參見(jiàn)Feynman R. P. , "Simulating Physics with Computers，，，International Journal of Theoretical Physics, Vol. 21 (1982)pp. 467-488。例如，F(xiàn)eynman指出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)能夠被用于模擬某些其他 量子系統(tǒng)，從而允許所模擬的量子系統(tǒng)與使用一臺(tái)UTM所可能的情況相比成指數(shù)級(jí)地更快 地計(jì)算某些特性。量子計(jì)算的涂徑對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)及運(yùn)作存在幾種通用的途徑。這種途徑之一是量子計(jì)算 的“電路模型”。在這種途徑中，通過(guò)多個(gè)邏輯門(mén)序列對(duì)量子位起作用，這些邏輯門(mén)序列是 一種算法的已編排的代表。電路模型量子計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方式有幾種嚴(yán)重的障礙。 在該電路模型中，所要求的是多個(gè)量子位在比單一門(mén)時(shí)間長(zhǎng)得多的時(shí)間周期上保持相干。 這種要求的出現(xiàn)是因?yàn)殡娐纺Ｐ土孔佑?jì)算機(jī)要求被統(tǒng)稱為量子誤差校正的運(yùn)作來(lái)進(jìn)行運(yùn) 算。在沒(méi)有電路模型量子計(jì)算機(jī)的這些量子位能夠在單一門(mén)時(shí)間的1000倍數(shù)量級(jí)的時(shí) 間周期上保持量子相干時(shí)，就不能夠進(jìn)行量子誤差校正。大量研究工作一直集中于開(kāi)發(fā) 具有足以形成電路模型量子計(jì)算機(jī)的基本信息單元的相干性的量子位。例如，參見(jiàn)Shor， P. W. "Introduction toQuantum Algorithms", arXiv. org :quant-ph/0005003(2001), PP. 1-27。本領(lǐng)域仍然受阻于不能夠使量子位的相干性提高到用于設(shè)計(jì)并運(yùn)行實(shí)際電路模 型量子計(jì)算機(jī)的可接受的水準(zhǔn)。量子計(jì)算的另一個(gè)途徑涉及將多個(gè)耦合的量子系統(tǒng)的一個(gè)系統(tǒng)的自然物理演算 用作一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。該途徑并不是關(guān)鍵性地利用量子門(mén)與量子電路。相反，從一個(gè)已知的初 始化哈密爾頓算子開(kāi)始，它取決于多個(gè)耦合的量子系統(tǒng)的一種系統(tǒng)的被引導(dǎo)的物理演算， 其中有待解決的問(wèn)題已按該系統(tǒng)的哈密爾頓算子進(jìn)行編碼，這樣使得耦合的量子系統(tǒng)的該系統(tǒng)的最終狀態(tài)包含了與有待解決的問(wèn)題的答案相關(guān)的信息。該途徑并不要求長(zhǎng)的量子位 相干時(shí)間。此類途徑的實(shí)例包括絕熱量子計(jì)算、群集-狀態(tài)量子計(jì)算、單向量子計(jì)算、量子 退火及經(jīng)典退火，并且在如 arXiv. org :quant-ph/0201031 (2002)，ppl-16，F(xiàn)arhi，Ε.等人 的"Quantum Adiabatic Evolution Algorithmsversus Simulated Annealing，，中進(jìn)行了 說(shuō)明。量子位如前所述，量子位能被用作用于量子計(jì)算機(jī)的基本信息單元。如同在UTM中的位 一樣，量子位可以指至少兩個(gè)完全不同的量值；一個(gè)量子位可以指在其中存儲(chǔ)信息的一個(gè) 實(shí)際的物理裝置，并且它還可以指從其物理裝置抽象出的信息單位本身。量子位的實(shí)例包 括量子粒子、原子、電子、光子、離子、等等。量子位推廣了一個(gè)經(jīng)典數(shù)字位的概念。一個(gè)經(jīng)典的信息存儲(chǔ)裝置能夠?qū)蓚€(gè)離散 的狀態(tài)進(jìn)行編碼，這兩種離散的狀態(tài)典型地被標(biāo)記為“0”和“1”。這兩個(gè)離散的狀態(tài)在物理 上由該經(jīng)典的信息存儲(chǔ)裝置的兩個(gè)不同的并可區(qū)別的物理狀態(tài)來(lái)代表，如磁 場(chǎng)、電流或電 壓的方向或強(qiáng)度，其中對(duì)該位的狀態(tài)進(jìn)行編碼的量值根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的定律來(lái)表現(xiàn)。一個(gè) 量子位也包含兩個(gè)離散的物理狀態(tài)，它們也可被標(biāo)記為“0”和“ 1 ”。這兩個(gè)離散狀態(tài)在物 理上是由量子信息存儲(chǔ)裝置的兩個(gè)不同的并可區(qū)別的物理狀態(tài)來(lái)代表，如磁場(chǎng)、電流或者 電壓的方向或強(qiáng)度，其中對(duì)該位的狀態(tài)進(jìn)行編碼的量值根據(jù)量子物理學(xué)的定律來(lái)表現(xiàn)。如 果存儲(chǔ)這些狀態(tài)的物理量值按量子力學(xué)方式來(lái)表現(xiàn)，則該裝置能夠額外地被置于一種0和 1的疊加中。這就是說(shuō)，該量子位能夠同時(shí)存在于“0”和“1”的狀態(tài)中，并且因此能夠?qū)?個(gè)狀態(tài)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算?？傊琋個(gè)量子位能夠處于2N個(gè)狀態(tài)的疊加之中。量子算法利用了 這種疊加特性來(lái)加速某些計(jì)算。在標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記法中，一個(gè)量子位的基本狀態(tài)被稱為|0>與I 1>狀態(tài)。在量子計(jì)算的 過(guò)程中，一個(gè)量子位的狀態(tài)總體上是多個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)的一種疊加，這樣該量子位具有占據(jù)|0> 基礎(chǔ)狀態(tài)的一個(gè)非零概率以及占據(jù)11>基礎(chǔ)狀態(tài)的一個(gè)同時(shí)的非零概率。在數(shù)學(xué)上，多個(gè) 基礎(chǔ)狀態(tài)的疊加是指該量子位的整體狀態(tài)(它用|Ψ>來(lái)代表)具有的形式，其中a和b分 別是對(duì)應(yīng)于概率Ial 2與|b I 2的系數(shù)。系數(shù)a和b各自具有實(shí)部與虛部，這就允許該量子 位的相位被表征出。一個(gè)量子位的量子性質(zhì)在很大程度上是從其在多個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)的一種相 干疊加中存在并且使該量子位的狀態(tài)具有一個(gè)相位的能力中衍生出來(lái)的。當(dāng)一個(gè)量子位與 脫散源充分地隔離開(kāi)時(shí)，該量子位將保持這種作為多個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)的一種相干疊加而存在的 能力。為了使用一個(gè)量子位來(lái)完成一個(gè)計(jì)算，對(duì)該量子位的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量(S卩，讀出)。 典型地，當(dāng)進(jìn)行該量子位的測(cè)量時(shí)，該量子位的量子性質(zhì)暫時(shí)瓦解并且多個(gè)基礎(chǔ)狀態(tài)的疊 加縮減為Io>基礎(chǔ)狀態(tài)或11>基礎(chǔ)狀態(tài)，并因此重新獲得它與一個(gè)常規(guī)位的相似性。這種 量子位在它瓦解以后的實(shí)際狀態(tài)直接取決于在該讀出運(yùn)作之前的概率Ial 2和Ib I 2。超導(dǎo)量子位人們?cè)诳紤]將多種不同的硬件和軟件途徑用于量子計(jì)算機(jī)中。一種硬件途徑使用 了超導(dǎo)材料(如鋁或者鈮)形成的集成電路。設(shè)計(jì)和制造超導(dǎo)集成電路所涉技術(shù)和工藝與 用于常規(guī)集成電路的技術(shù)和工藝相似。超導(dǎo)量子位是可以包括在一個(gè)超導(dǎo)集成電路中的一種類型的超導(dǎo)裝置。例如，典型的超導(dǎo)量子位具有可拓展性的優(yōu)點(diǎn)，并且總體上根據(jù)物理性能而被分類，用于對(duì)信息進(jìn) 行編碼的這些物理性能包括(例如)電荷與相位裝置、相位或通量裝置、混合裝置、等等。 根據(jù)用于對(duì)信息進(jìn)行編碼的物理性能，超導(dǎo)量子位可以被分為幾個(gè)類別。例如它們可以 分成電荷裝置、通量裝置和相位裝置，例如如在Makhlin等人的2001，Reviews of Modern Physics 73，pp. 357-400中所討論的。電荷裝置在該裝置的電荷狀態(tài)中對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)并 操作，其中的基本電荷由稱為庫(kù)珀對(duì)的電子對(duì)構(gòu)成。一個(gè)庫(kù)珀對(duì)具有2e的電荷并且由兩個(gè) 電子構(gòu)成，這兩個(gè)電子由(例如)一個(gè)聲子相互作用連接在一起。例如，參見(jiàn)Nielsen and Chuang, QuantumComputation and Quantum Information, Cambridge University Press, Cambridge (2000), pp. 343-345。通量裝置在與通過(guò)該裝置的某個(gè)部分的磁通量相關(guān)的一個(gè) 變量?jī)?nèi)存儲(chǔ)信息。相位裝置在與該相位裝置的兩個(gè)區(qū)域之間的超導(dǎo)相位差相關(guān)的一個(gè)變量 內(nèi)存儲(chǔ)信息。近來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了使用兩種或更多種電荷、通量與相位自由度的混合裝置。例 如，參見(jiàn)美國(guó)專利號(hào)6，838，694和美 國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?，335，909?？墒褂玫耐苛孔游坏膶?shí)例包括rf-SQUID，它們包括由一個(gè)約瑟夫遜結(jié)或一個(gè)復(fù) 合結(jié)(其中一個(gè)單獨(dú)的約瑟夫遜結(jié)由兩個(gè)并聯(lián)的約瑟夫遜結(jié)取代)間斷的一個(gè)超導(dǎo)環(huán)路； 或者持續(xù)電流量子位，這些持續(xù)電流量子位包括由三個(gè)約瑟夫遜結(jié)間斷的一個(gè)超導(dǎo)環(huán)路； 以及類似的量子位。例如，參見(jiàn)Mooij等人的1999，Science 285，1036和Orlando等人的 1999，Phys. Rev. B 60，15398。例如，超導(dǎo)量子位的其他實(shí)例可以在Il'ichev等人的2003， Phys. Rev. Lett. 91，097906、Blatter 等人的 2001，Phys. Rev. B 63，174511 和 Friedman 等 人的2000，Nature 406,43中找到。此外，還可以使用混合電荷-相位量子位。這些量子位可以包括一個(gè)對(duì)應(yīng)的局部偏置器件。這些局部偏置器件可以包括與一 個(gè)超導(dǎo)量子位接近的一個(gè)金屬環(huán)路，該金屬環(huán)路為該量子位提供一個(gè)外部通量偏置。該局 部偏置器件也可以包括多個(gè)約瑟夫遜結(jié)。在量子處理器中的每個(gè)超導(dǎo)量子位可以具有一個(gè) 對(duì)應(yīng)的局部偏置器件，或者可以存在少于量子位的局部偏置器件。在某些實(shí)施方案中，可以 使用基于電荷的讀出和局部偏置器件。這個(gè)或這些讀出裝置可以包括多個(gè)dc-SQUID磁強(qiáng) 計(jì)，各自電感性地連接到一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)的一個(gè)不同的量子位上。該讀出裝置可以提供一 個(gè)電壓或電流。包括由至少一個(gè)約瑟夫遜結(jié)間斷的一個(gè)超導(dǎo)材料環(huán)路的這些dc-SQUID磁 強(qiáng)計(jì)在本領(lǐng)域中是人們熟知的。量子處理器一個(gè)計(jì)算機(jī)處理器可以采取一種模擬處理器的形式，例如一種量子處理器(如一 種超導(dǎo)量子處理器)。一個(gè)超導(dǎo)量子處理器可以包括多個(gè)量子位以及多個(gè)相關(guān)聯(lián)的局部偏 置器件，例如兩個(gè)或更多個(gè)超導(dǎo)量子位?？膳c本系統(tǒng)、方法及裝置一起使用的示例性的量子 處理器的進(jìn)一步細(xì)節(jié)和實(shí)施方案被描述于美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)2006-0225165、美國(guó)專利申請(qǐng)序 列號(hào) 12/013，192、于 2007 年 11 月 8 日提交的發(fā)明名稱為“Systems，Devices and Methods for AnalogProcessing”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)60/986，554、以及于2008年3月26 日提交的發(fā)明名稱為 “Systems，Devices，And Methods ForAnalog Processing” 的美國(guó)臨 時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/039，710之中。一個(gè)超導(dǎo)量子處理器可以包括多個(gè)耦合器件，這些耦合器件可以操作以便選擇性 地耦合對(duì)應(yīng)的量子位對(duì)。超導(dǎo)耦合器件的實(shí)例包括rf-SQUID和dc-SQUID，這些裝置通過(guò)通 量將多個(gè)量子位耦合到一起。SQUID包括由一個(gè)約瑟夫遜結(jié)(一個(gè)rf-SQUID)或兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)(一個(gè)dc-SQUID)間斷的一個(gè)超導(dǎo)環(huán)路。這些耦合器件也許能夠同時(shí)鐵磁性地及反 鐵磁性地耦合，這取決于在該互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)如何使用該耦合器件。在通量耦合的情況中， 鐵磁耦合意味著并聯(lián)通量在能量上是有利的，而反鐵磁耦合意味著反并聯(lián)通量在能量上是 有利的?？商娲兀部梢允褂没陔姾傻鸟詈掀骷?。其他耦合器件可在如美國(guó)專利公開(kāi) 號(hào)2006-0147154以及美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/017,995中找到。例如，這些耦合器件的對(duì) 應(yīng)耦合強(qiáng)度可以在零與一個(gè)最大值之間調(diào)諧，以便在量子位之間提供鐵磁或反鐵磁耦合。量子通量參變器量子通量參變器(QFP)是一種在結(jié)構(gòu)上類似于復(fù)合rf-SQUID的超導(dǎo)約瑟夫遜 結(jié)器件。然而，名稱“量子通量參變器”包括約瑟夫遜結(jié)器件的運(yùn)行和結(jié)構(gòu)二者，而不僅 單獨(dú)是結(jié)構(gòu)。例如，參見(jiàn) Hioe 禾口 Goto 的 Quantum Flux Parametron-A Single Quantum FluxSuperconducting Logic Device, World Scientific Publishing Co.Pte. Ltd., Singap0re(1991)，pp. 23-41?？梢酝ㄟ^(guò)QFP器件產(chǎn)生一條具體的勢(shì)能曲線。這條勢(shì)能曲線 可以類似于“W”，其中該中央峰或“屏障”在高度上是可調(diào)節(jié)的，而在該中央峰每一側(cè)上的這 兩個(gè)阱的獨(dú)立的深度也是可調(diào)節(jié)的。在超導(dǎo)電路中，QFP可以被實(shí)施為一個(gè)磁性的基于通 量的邏輯器件。因此，可以將QFP器件用于實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)移位寄存器、超 導(dǎo)存儲(chǔ)器陣列、超導(dǎo)加 法器、超導(dǎo)觸發(fā)器、以及其他基于邏輯的電路。從量子力學(xué)的角度看，有可能對(duì)該中央屏障的高度足夠緩慢地進(jìn)行調(diào)節(jié)以使得該 系統(tǒng)不被激發(fā)到超出所希望的基態(tài)。這是在量子系統(tǒng)中絕熱演進(jìn)的一個(gè)實(shí)例。因此，盡管 現(xiàn)有的阻尼QFP器件被設(shè)計(jì)用于高切換速度(大于約20GHz)的運(yùn)行，但是本系統(tǒng)、方法以 及裝置提供無(wú)阻尼類似QFP的器件用于在超導(dǎo)電路中使用，在這些超導(dǎo)電路中散熱必須得 到控制。本系統(tǒng)、方法以及裝置的運(yùn)行將總體上絕熱地進(jìn)行控制。遍及本說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)
利要求的其余部分，術(shù)語(yǔ)“絕熱”、“絕熱地”和“絕熱頻率”被用于說(shuō)明頻率f，它滿足其中L是環(huán)路電感，并且C是約瑟夫遜結(jié)的電容。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解 對(duì)于在此說(shuō)明的大多數(shù)的示例性電路而言，切換速度將是小于約20GHz的。鎖存量子位在美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/109,847中說(shuō)明了使用超導(dǎo)量子位作為鎖存器件的系 統(tǒng)、方法以及裝置。簡(jiǎn)言之，這些器件代表了超導(dǎo)量子位電路的一種新穎的應(yīng)用。一個(gè)超導(dǎo) 量子位本身可以類似于一個(gè)無(wú)阻尼類似QFP的器件并且當(dāng)?shù)玫竭m當(dāng)控制時(shí)可以用于產(chǎn)生 許多類似的基于邏輯的電路。本系統(tǒng)、方法以及裝置說(shuō)明了鎖存量子位在讀出超導(dǎo)量子處 理器中的至少一個(gè)部件的狀態(tài)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
至少一個(gè)實(shí)施方案可以被概括為一個(gè)超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)計(jì)算量子 位；用于測(cè)量該計(jì)算量子位的一種狀態(tài)的一個(gè)測(cè)量器件；以及一個(gè)第一鎖存量子位，該第 一鎖存量子位包括由一個(gè)第一閉合的超導(dǎo)電流路徑形成的一個(gè)量子位環(huán)路，該路徑包括 在該量子位環(huán)路中相互串聯(lián)耦連的至少兩個(gè)超導(dǎo)電感器；使該量子位環(huán)路間斷的一個(gè)裂隙 結(jié)環(huán)路或復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)，該復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)由一個(gè)第二閉合的超導(dǎo)電流路徑形成，該路徑包括在該復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)中相互串聯(lián)耦連的并且關(guān)于該量子位環(huán)路相互并聯(lián)地 耦連的至少兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)；以及一個(gè)第一時(shí)鐘信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被配置為將多個(gè)時(shí) 鐘信號(hào)通信性耦連到該約瑟夫遜結(jié)上；其中該計(jì)算量子位以及該測(cè)量器件中的至少一個(gè)被 通信性耦連到該第一鎖存量子位上，這樣使該第一鎖存量子位介導(dǎo)在該計(jì)算量子位與該測(cè) 量器件之間的通信性耦連。該計(jì)算量子位可以是一個(gè)超導(dǎo)量子位，例如一個(gè)超導(dǎo)通量量子位、超導(dǎo)電荷量子 位、超導(dǎo)相位量子位、或超導(dǎo)混合量子位。該測(cè)量器件可以包括一個(gè)磁強(qiáng)計(jì)。在該第一鎖存 量子位與該計(jì)算量子位以及該測(cè)量器件中的至少一個(gè)之間的通信性耦連可以包括電感性 耦連。該第一時(shí)鐘信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)可以被配置為耦連處于大致絕熱的頻率的一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。 該絕熱的頻率可以是低于約20GHz。一個(gè)大致恒定的時(shí)鐘信號(hào)可以被施加到該第一鎖存量 子位的復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)上并且將在該復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)中的至少兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)的參 數(shù)選擇為使得被耦連到該第一鎖存量子位的量子位環(huán)路上的一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)具有更大 幅值的對(duì)應(yīng)的信號(hào)，該對(duì)應(yīng)的信號(hào)是從該第一鎖存量子位的量子位環(huán)路上進(jìn)行耦連的。該 超導(dǎo)讀出系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括與該第一鎖存量子位串聯(lián)地處于通信性耦連的至少一個(gè)第 二鎖存量子位，其中該計(jì)算量子位以及該測(cè)量器件各自被通信性耦連到該第一和第二鎖存 量子位中的至少一個(gè)上，這樣使該第一和第二鎖存量子位介導(dǎo)在該計(jì)算量子位與該測(cè)量器 件之間的通信性耦連。該第一以及至少第二鎖存量子位可以各自被通信性 耦連到一個(gè)對(duì)應(yīng) 的絕熱時(shí)鐘信號(hào)線上。至少一個(gè)實(shí)施方案可以被概括為一個(gè)超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個(gè)計(jì)算量子 位；一個(gè)測(cè)量器件，該測(cè)量器件用于測(cè)量這些計(jì)算量子位中至少一個(gè)的狀態(tài)；以及一個(gè)移 位寄存器，該移位寄存器包括多個(gè)單獨(dú)的寄存器，其中至少一個(gè)寄存器被通信性耦連到每 個(gè)計(jì)算量子位上并且至少一個(gè)寄存器被通信性耦連到該測(cè)量器件上。這些計(jì)算量子位中的至少一個(gè)可以是一個(gè)超導(dǎo)量子位，例如一個(gè)超導(dǎo)通量量子 位、超導(dǎo)電荷量子位、超導(dǎo)相位量子位、或超導(dǎo)混合量子位。該測(cè)量器件可以包括一個(gè)磁強(qiáng) 計(jì)。該移位寄存器可以包括一個(gè)超導(dǎo)移位寄存器。在包括一個(gè)超導(dǎo)移位寄存器的多個(gè)實(shí)施 方案中，該超導(dǎo)移位寄存器可以包括一個(gè)基于通量的超導(dǎo)移位寄存器，它包括一組管理鎖 存量子位，每個(gè)管理鎖存量子位被通信性耦連以便接收管理時(shí)鐘信號(hào)；一個(gè)第一組偽鎖存 量子位，該第一組偽鎖存量子位中的每個(gè)偽鎖存量子位被通信性耦連以便接收多個(gè)第一偽 時(shí)鐘信號(hào)；以及一個(gè)第二組偽鎖存量子位，該第二組偽鎖存量子位中的每個(gè)偽鎖存量子位 被通信性耦連以便接收多個(gè)第二偽時(shí)鐘信號(hào)，其中對(duì)于該組管理鎖存量子位中每對(duì)順序的 管理鎖存量子位而言，來(lái)自該第一組鎖存量子位的一個(gè)對(duì)應(yīng)的偽鎖存量子位以及來(lái)自該第 二組偽鎖存量子位的一個(gè)對(duì)應(yīng)的偽鎖存量子位被定位為對(duì)于在這對(duì)順序的管理鎖存量子 位的這些管理鎖存量子位之間的通量進(jìn)行耦連；其中在該基于通量的超導(dǎo)移位寄存器中的 一個(gè)第一管理鎖存量子位被耦連為以便接收來(lái)自第一計(jì)算量子位的一個(gè)第一輸入信號(hào)并 且在該基于通量的超導(dǎo)移位寄存器中的一個(gè)第二管理鎖存量子位被耦連為以便接收來(lái)自 第二計(jì)算量子位的一個(gè)第二輸入信號(hào)。在該基于通量的超導(dǎo)移位寄存器中的一個(gè)第三管 理鎖存量子位可以被耦連為以便向該測(cè)量器件發(fā)送一個(gè)輸出信號(hào)。這些管理時(shí)鐘信號(hào)、第 一偽時(shí)鐘信號(hào)、以及第二偽時(shí)鐘信號(hào)各自可以是處于一個(gè)大致絕熱的頻率上。該超導(dǎo)讀出 系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位，該量子位在該第一計(jì)算量子位與該第一管理鎖存量子位之間串聯(lián)地進(jìn)行通信性耦連，這樣使得該至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位介導(dǎo)在該 第一計(jì)算量子位與該第一管理鎖存量子位之間的通信性耦連。每個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位可以被 通信性耦連以便接收一個(gè)大致絕熱時(shí)鐘信號(hào)。該超導(dǎo)讀出系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括至少一個(gè)介 導(dǎo)鎖存量子位，該量子位在該第三管理鎖存量子位與該測(cè)量器件之間串聯(lián)地進(jìn)行通信性耦 連，這樣使得該至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位介導(dǎo)在該第三管理鎖存量子位與該測(cè)量器件之間 的通信性耦連，其中該至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位被通信性耦連以便接收一個(gè)大致絕熱時(shí)鐘 信號(hào)。至少一個(gè)實(shí)施方案可以被概括為一種讀出計(jì)算量子位的狀態(tài)的方法，該方法包 括將來(lái)自該計(jì)算量子位的一種狀態(tài)信號(hào)耦連到一個(gè)第一鎖存量子位上；將一個(gè)第一時(shí)鐘 信號(hào)耦連到該第一鎖存量子位中的一個(gè)復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)上；并且使用該第一時(shí)鐘信號(hào)來(lái) 控制在該計(jì)算量子位與該第一鎖存量子位之間的狀態(tài)信號(hào)的耦連。該方法可以進(jìn)一步包括將來(lái)自該第一鎖存量子位的狀態(tài)信號(hào)耦連到一個(gè)測(cè)量器 件上；并且使用該第一時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制在該第一鎖存量子位與該測(cè)量器件之間的狀態(tài)信號(hào) 的耦連。至少一個(gè)實(shí)施方案可以被概括為一種讀出多個(gè)計(jì)算量子位中每個(gè)計(jì)算量子位的 狀態(tài)的方法， 該方法包括將來(lái)自每個(gè)計(jì)算量子位的一個(gè)對(duì)應(yīng)的信號(hào)耦連到一個(gè)移位寄存 器中的對(duì)應(yīng)的寄存器中；使這些信號(hào)沿著該移位寄存器移位；并且將來(lái)自該移位寄存器中 的至少一個(gè)寄存器的這些信號(hào)耦連到至少一個(gè)測(cè)量器件上。在一些實(shí)施方案中，該移位寄 存器可以包括一個(gè)超導(dǎo)移位寄存器。將來(lái)自每個(gè)計(jì)算量子位的一個(gè)對(duì)應(yīng)的信號(hào)耦連到一個(gè)超導(dǎo)移位寄存器的對(duì)應(yīng)的 移位寄存器中可以包括將這些信號(hào)耦連到包括多個(gè)鎖存量子位的一個(gè)基于通量的超導(dǎo)移 位寄存器中的多個(gè)對(duì)應(yīng)的寄存器中。該方法可以進(jìn)一步包括通過(guò)至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位 介導(dǎo)來(lái)自這些計(jì)算量子位中的至少一個(gè)的信號(hào)到該超導(dǎo)移位寄存器中的對(duì)應(yīng)的移位寄存 器中的耦連。該方法可以進(jìn)一步包括通過(guò)至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位介導(dǎo)來(lái)自這些寄存器的 至少一個(gè)的信號(hào)到該測(cè)量器件中的耦連。該耦連和移位可以包括將一組時(shí)鐘信號(hào)脈沖施加 到在該超導(dǎo)移位寄存器中的這些寄存器上。


在這些附圖中，相同的參考數(shù)字標(biāo)識(shí)出相似的元件或者動(dòng)作。附圖中元件的尺寸 和相對(duì)位置不一定是按比例繪制的。例如，不同元件的形狀以及角度不一定按比例繪制，并 且這些元件中的一些被任意地放大和定位以提高附圖的易讀性。另外，所繪出的這些元件 的特定形狀并非旨在傳遞與這些特定元件的實(shí)際形狀有關(guān)的任何信息，而只是為了方便在 圖中識(shí)別而選取。圖IA是能夠被實(shí)施為一個(gè)超導(dǎo)通量量子位的超導(dǎo)電路的示意圖。圖IB是同樣能夠被實(shí)施為一個(gè)超導(dǎo)通量量子位的替代的超導(dǎo)電路的示意圖。圖2是示出了能夠由一個(gè)超導(dǎo)通量量子位產(chǎn)生的勢(shì)能曲線的近擬圖。圖3是作為一個(gè)鎖存量子位運(yùn)行的超導(dǎo)通量量子位的實(shí)施方案的示意圖。圖4是代表鎖存量子位的一個(gè)實(shí)施方案的運(yùn)行的近似圖。圖5是一個(gè)讀出系統(tǒng)的實(shí)施方案的示意圖，其中鎖存量子位被用于介導(dǎo)在計(jì)算量子位與dc-SQUID磁強(qiáng)計(jì)之間的耦連。圖6是使用鎖存量子位作為其基本邏輯元件的一個(gè)基于通量的超導(dǎo)移位寄存器的實(shí)施方案的示意圖。圖7是使用基于通量的超導(dǎo)移位寄存器的一個(gè)讀出系統(tǒng)的實(shí)施方案的示意圖，該 基于通量的超導(dǎo)移位寄存器包括鎖存量子位以讀出多個(gè)計(jì)算量子位的狀態(tài)。圖8是一個(gè)讀出系統(tǒng)的實(shí)施方案的示意圖，該系統(tǒng)通過(guò)使用包括鎖存量子位的基 于通量的超導(dǎo)移位寄存器可以讀出多個(gè)計(jì)算量子位的狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式在以下說(shuō)明中，列舉了某些特定的細(xì)節(jié)以便提供對(duì)不同的所披露的實(shí)施方案的全 面理解。然而，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可以在沒(méi)有一個(gè)或多個(gè)這些特定細(xì)節(jié) 的情況下，或者在具有其他的方法、組件、材料等的情況下實(shí)踐這些實(shí)施方案。在其他的情 況下，與模擬處理器(如量子處理器、量子器件、耦合器件以及包括微處理器與驅(qū)動(dòng)電路的 控制系統(tǒng))相關(guān)聯(lián)的公知結(jié)構(gòu)沒(méi)有被詳細(xì)地示出或者說(shuō)明，以避免不必要地混淆這些實(shí)施 方案的說(shuō)明。除非上下文另有要求，在整個(gè)說(shuō)明書(shū)和所附的權(quán)利要求書(shū)中，“包括”一詞及其多 種變體(例如，“包括了”和“包括著”)將以一種開(kāi)放式的和包含性的意義來(lái)進(jìn)行解釋，即， 如“包括，但不限于”。遍及本說(shuō)明書(shū)提到的“一種實(shí)施方案”或“一個(gè)實(shí)施方案”意味著與該實(shí)施方案相 關(guān)聯(lián)地描述的一個(gè)具體的指示特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少一個(gè)實(shí)施方案中。因此，貫穿 本說(shuō)明書(shū)在不同地方出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一種實(shí)施方案中”、“在一個(gè)實(shí)施方案中”并不一定全部 是指同一個(gè)實(shí)施方案。另外，該特定特征、結(jié)構(gòu)或者特性能夠以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合在一個(gè) 或者多個(gè)實(shí)施方式中。如在本說(shuō)明書(shū)和所附的權(quán)利要求書(shū)中所使用的，單數(shù)形式的“一個(gè)”和“該”包括復(fù) 數(shù)對(duì)象，除非文中另外明確指明。還應(yīng)注意，術(shù)語(yǔ)“或者”一詞總體上所使用的意義包括“和 /或”，除非文中另外明確指明。在此給出的小標(biāo)題以及摘要只是為了方便起見(jiàn)，而并非解釋這些實(shí)施方案的范圍含意。此外，某些圖在此描繪了不同的電壓和電流波形。為了理解多個(gè)實(shí)施方案的運(yùn)行 的目的這些波形旨在是展示性的，而并非旨在按比例繪出和/或就形狀、幅值、占空比、頻 率、失真、或其他特性而言精確地和準(zhǔn)確地描繪出波形的行為。本系統(tǒng)、方法以及裝置說(shuō)明了用于讀出超導(dǎo)量子處理器中的至少一個(gè)部件的狀態(tài) 的技術(shù)。這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多種讀出系統(tǒng)，這些結(jié)合了超導(dǎo)鎖存量子位。被讀出的超導(dǎo)量子 處理器的至少一個(gè)部件可以包括一個(gè)超導(dǎo)量子位。本系統(tǒng)、方法以及裝置通過(guò)降低一種隔 離的讀出操作對(duì)量子處理器其余部分的影響而代表了超過(guò)用于讀出超導(dǎo)量子處理中的量 子位狀態(tài)的現(xiàn)有技術(shù)的一種改進(jìn)。用于讀出超導(dǎo)量子處理器中的量子位的狀態(tài)的許多現(xiàn)有技術(shù)包括直接測(cè)量量 子位的狀態(tài)。例如，一個(gè)磁強(qiáng)計(jì)(如dc-SQUID)可以被用于直接測(cè)量超導(dǎo)通量量子位 的狀態(tài)。然而，取決于量子位狀態(tài)的直接測(cè)量的多種讀出方案可以導(dǎo)致“讀出性破壞(readoutdestruction) ”，由此觀測(cè)量子位狀態(tài)的物理性動(dòng)作就影響了量子處理器中的其 他量子位的經(jīng)典狀態(tài)。讀出性破壞的問(wèn)題在本領(lǐng)域是為人熟知的。此類直接測(cè)量技術(shù)的 一個(gè)另外的缺點(diǎn)是測(cè)量器件中的噪聲可以不經(jīng)意地被耦連到量子位中。在dc-SQUID被直 接耦連到一個(gè)超導(dǎo)量子位上的情況下，在正在進(jìn)行測(cè)量時(shí)、或者甚至在這兩個(gè)器件之間的 耦連仍有效而沒(méi)有正在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，噪聲可以從dc-SQUID傳遞到超導(dǎo)量子位上。此外， dc-SQUID本身可以很大程度上易于受噪聲影響并且不會(huì)是嘈雜環(huán)境中在其中存儲(chǔ)一個(gè)小 信號(hào)的一種理想的器件。如所討論的，量子計(jì)算的基本單元是量子位。超導(dǎo)量子位可以采取多種形式，包括 超導(dǎo)通量量子位。一個(gè)超導(dǎo)通量量子位能夠以一種超導(dǎo)環(huán)路的形式被實(shí)現(xiàn)，該超導(dǎo)環(huán)路包 含被稱為約瑟夫遜結(jié)的至少一個(gè)開(kāi)關(guān)器件。于是，一個(gè)量子處理器可以包括任何數(shù)目的此 類超導(dǎo)環(huán)路和約瑟夫遜結(jié)。圖IA是能夠被實(shí)施為超導(dǎo)通量量子位的基本電路100的示意 圖。電路100包括一個(gè)第一超導(dǎo)環(huán)路101，該第一超導(dǎo)環(huán)路被一個(gè)第二超導(dǎo)環(huán)路102間斷， 該第二超導(dǎo)環(huán)路本身被兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)111和112間斷。超導(dǎo)環(huán)路101在下文被稱為“量 子位環(huán)路”，而超導(dǎo)環(huán)路102被稱為“復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)”或者“CJJ”。本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員將理解可以繪制出電路100的一個(gè)rf-SQUID近似圖，其中CJJ 102和約瑟夫遜結(jié)111 和112全部被一個(gè)約瑟夫遜結(jié)所取代，或者類似地任何數(shù)目的約瑟夫遜結(jié)可以被用在CJJ 102之中。 在運(yùn)行中，電路100的超導(dǎo)通量量子位可以通過(guò)電感性耦連與其他器件進(jìn)行通 信。例如，圖IB是能夠被實(shí)施為超導(dǎo)通量量子位的另一個(gè)電路150的示意圖。注意圖IB代 表了一個(gè)單一量子位系統(tǒng)并且未示出與其他量子位的通信(盡管是可能的)。在電路150 中，量子位環(huán)路151包含一個(gè)電感器161并且被電感性地耦連到一個(gè)信號(hào)線上。類似地，CJJ 152也被電感性地耦連到一個(gè)分離的信號(hào)線上。電路150中的耦連方案可以被用于控制超 導(dǎo)通量量子位的能量并建立一個(gè)特定的勢(shì)能曲線。圖2是一個(gè)近似圖，示出了能夠由電路 150產(chǎn)生的勢(shì)能曲線的總體形狀。一個(gè)關(guān)鍵性特征在于，屏障201的高度通過(guò)到CJJ 152上 的電感性耦連是可控制的。類似地，兩個(gè)阱(211和212)在屏障201每一側(cè)上的相對(duì)深度 通過(guò)到量子位環(huán)路151上的電感性耦連是可控制的。圖IB中示出的電路150可以被用作一個(gè)超導(dǎo)通量量子位，但是它還類似于一個(gè) 量子通量參變器(QFP)的實(shí)施方案。作為一個(gè)計(jì)算元件，超導(dǎo)通量量子位的結(jié)構(gòu)(圖IA 和圖IB所示)可以作為“計(jì)算量子位”進(jìn)行操作。為了本系統(tǒng)、方法以及裝置的目的，術(shù) 語(yǔ)“計(jì)算量子位”被用來(lái)指一種量子位結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在量子處理器中被用作計(jì)算元件。艮口， 一個(gè)計(jì)算量子位是根據(jù)計(jì)算的算法從一個(gè)初始狀態(tài)演化到一個(gè)最終狀態(tài)。作為一個(gè)邏輯 器件，超導(dǎo)通量量子位可以作為鎖存量子位來(lái)運(yùn)行，如2007年4月25日提交的名稱為 "Adiabatic Superconducting Qubit Logic Devices And Methods”禾Ij
列號(hào)60/913，980以及美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/109，847中所概述的。經(jīng)典電路中鎖存的概 念是粗略地類似于在此說(shuō)明的非經(jīng)典鎖存。貫穿本說(shuō)明書(shū)以及所附權(quán)利要求，“鎖存”一個(gè) 磁信號(hào)是指加載一個(gè)瞬時(shí)信號(hào)、保留該瞬時(shí)信號(hào)而無(wú)論源信號(hào)的微擾或演進(jìn)如何、以及連 續(xù)地輸出該瞬時(shí)信號(hào)直到鎖存被淬滅(quench)的過(guò)程。因此，術(shù)語(yǔ)“鎖存量子位”在此用 于表示實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程的一個(gè)器件，而術(shù)語(yǔ)“計(jì)算量子位”在此用于表示被演化為進(jìn)行量子計(jì) 算的一個(gè)量子位。
圖IA和圖IB中所示的超導(dǎo)通量量子位的總體結(jié)構(gòu)可以被實(shí)施為一個(gè)計(jì)算量子位或一個(gè)鎖存量子位。然而，一個(gè)計(jì)算量子位的設(shè)計(jì)參數(shù)可以與一個(gè)鎖存量子位的設(shè)計(jì)參數(shù) 不同，這樣使得設(shè)計(jì)用于計(jì)算操作的一個(gè)量子位結(jié)構(gòu)可能不適用于鎖存操作并且設(shè)計(jì)用于 鎖存操作的一個(gè)量子位結(jié)構(gòu)可能不適用于計(jì)算操作。在此處描述的不同的實(shí)施方案中，一 個(gè)計(jì)算量子位可以在結(jié)構(gòu)上和參數(shù)上被設(shè)計(jì)為專門(mén)執(zhí)行計(jì)算操作。類似地，一個(gè)鎖存量子 位可以在結(jié)構(gòu)上和參數(shù)上被設(shè)計(jì)為專門(mén)執(zhí)行鎖存操作。與計(jì)算量子位相比較，鎖存量子位 的這些參數(shù)可以總體上包括多個(gè)更大的約瑟夫遜結(jié)、在CJJ中的更小的環(huán)路、以及一個(gè)更 大β max。計(jì)算量子位的這些參數(shù)可以被設(shè)計(jì)為協(xié)助量子隧道作用以及實(shí)現(xiàn)疊加態(tài)，然而鎖 存量子位的這些參數(shù)可以被設(shè)計(jì)為協(xié)助在多個(gè)狀態(tài)之間的隔離。圖3是作為鎖存量子位300進(jìn)行操作的一個(gè)超導(dǎo)通量量子位的實(shí)施方案的示意 圖。類似于圖IA和圖1B，鎖存量子位300的電路包括一個(gè)量子位環(huán)路301和一個(gè)裂隙結(jié) 環(huán)路或CJJ 302，其中CJJ 302包括兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)311和312。為了與輸入和輸出信號(hào)線 電感性耦連以對(duì)應(yīng)地傳送輸入和輸出信號(hào)的目的，鎖存量子位300進(jìn)一步包括兩個(gè)超導(dǎo)電 感器361和362。在這個(gè)實(shí)施方案中，CJJ 302自身被配置為電感性耦連到一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)線 上。在時(shí)鐘信號(hào)線上的時(shí)鐘信號(hào)控制著鎖存量子位300的運(yùn)行。貫穿本說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利 要求，術(shù)語(yǔ)“時(shí)鐘”和“時(shí)鐘信號(hào)”被經(jīng)常地用于指一種周期脈沖的可控制信號(hào)。然而，本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員將理解脈沖的可控制信號(hào)可以通過(guò)電路或其他媒介(例如光)中的其他 信號(hào)或器件來(lái)實(shí)施，并且這些脈沖不必是周期性的。因此，術(shù)語(yǔ)“時(shí)鐘”和“時(shí)鐘信號(hào)”在此 是在其最寬泛的意義上使用并且意味著包括管理脈沖的可控制序列脈沖的所有方式。圖3中示出的鎖存量子位300的示意圖旨在是展示性的并且用作一個(gè)實(shí)施方案的 實(shí)例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解可以對(duì)該電路做出許多變更以適應(yīng)多種具體的系統(tǒng)要 求。例如，量子位環(huán)路301可以具有一個(gè)替代的形狀(如正方形或矩形)，到信號(hào)線上的耦 連可以通過(guò)一個(gè)可替代的方式發(fā)生，如通過(guò)電流耦連；在量子位環(huán)路301上可以存在多于 或少于兩個(gè)耦連位置；與CJJ 302中的兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)相比可以存在更多或更少的約瑟夫 遜結(jié)；并且還可以將多個(gè)約瑟夫遜結(jié)插入量子位環(huán)路301之中。所有此類變更針對(duì)于實(shí)施 該鎖存量子位的具體系統(tǒng)都是特定的，而根據(jù)本系統(tǒng)、方法以及裝置作為鎖存量子位的超 導(dǎo)通量量子位的運(yùn)行所依據(jù)的總原理實(shí)質(zhì)上保持不變。圖4示出了代表鎖存量子位300的采樣操作的近似圖。在圖4中示出了三個(gè)同時(shí) 發(fā)生的信號(hào)時(shí)鐘信號(hào)、輸入信號(hào)、以及輸出信號(hào)。在這個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)上升時(shí)， 鎖存量子位在那一時(shí)刻加載輸入信號(hào)、保持那個(gè)瞬時(shí)信號(hào)、并且在時(shí)鐘脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi) 將它傳輸?shù)捷敵龆?。例如，在圖4中的點(diǎn)A處，在信號(hào)輸入為高時(shí)時(shí)鐘脈沖上升。因此，高 信號(hào)被鎖存量子位“鎖存”并且在時(shí)鐘脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)被保持。當(dāng)高信號(hào)被保持時(shí)，該高 信號(hào)出現(xiàn)在鎖存量子位的信號(hào)輸出端。即，當(dāng)時(shí)鐘脈沖向上升高時(shí)該鎖存量子位保持在它 初始接收的信號(hào)上。即使輸入信號(hào)繼續(xù)演化，當(dāng)時(shí)鐘脈沖向上升高時(shí)鎖存量子位有效地獲 取輸入信號(hào)的一個(gè)圖像，并且這就是被鎖存并傳輸?shù)捷敵龆松系男盘?hào)。在圖4中，在第一時(shí) 鐘脈沖仍為高時(shí)，輸入信號(hào)在點(diǎn)C處下降，但輸出信號(hào)保留高，因?yàn)樗钦诒绘i存量子位 保持的信號(hào)。輸出信號(hào)隨著時(shí)鐘脈沖下降而結(jié)束，并且在時(shí)鐘保持不活動(dòng)時(shí)沒(méi)有信號(hào)傳輸。 在點(diǎn)B處，時(shí)鐘脈沖再次上升，這次是在輸入信號(hào)為低時(shí)。因此，一個(gè)低信號(hào)被鎖存量子位 鎖存并且連續(xù)地輸出直到時(shí)鐘脈沖再次下降。
圖4中示出的多個(gè)近似圖代表了鎖存量子位的操作的一個(gè)展示性的實(shí)施方案。在 其他實(shí)施方案中，在鎖存量子位中的鎖存可以被時(shí)鐘脈沖中的一個(gè)向下的移動(dòng)觸發(fā)。雖然 該鎖存的定時(shí)是受時(shí)鐘頻率的支配，而觸發(fā)鎖存的精確的方式取決于由時(shí)鐘脈沖所覆蓋的 幅值范圍以及施加在鎖存量子位上的信號(hào)偏值。時(shí)鐘脈沖可以被用于改變?cè)撓到y(tǒng)的勢(shì)能曲 線的形狀。當(dāng)系統(tǒng)的勢(shì)能曲線類似于一個(gè)拋物線的或“U”形的形狀時(shí)，施加在鎖存量子位 上的輸入信號(hào)即被“淬滅”。當(dāng)系統(tǒng)的勢(shì)能曲線類似于如圖2所示的“W”的形狀時(shí)，施加于 鎖存量子位的輸入信號(hào)即被“鎖存”。時(shí)鐘脈沖可以被用于升高系統(tǒng)的勢(shì)能曲線中的一個(gè)屏 障(如圖2中的屏障201)，由此產(chǎn)生“W”形的勢(shì)能曲線并觸發(fā)該鎖存。 發(fā)生鎖存是因?yàn)殒i存量子位的基態(tài)是與外部場(chǎng)對(duì)齊的，并且絕熱屏障的升高將該 系統(tǒng)保持在基態(tài)中。因此，在本系統(tǒng)、方法以及裝置中所說(shuō)明的鎖存量子位的操作中受控制 的絕熱演進(jìn)是令人希望的。這意味著在許多系統(tǒng)中時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)該以低于約20GHz的頻率工 作。在這個(gè)頻率范圍中工作所具有的益處在于，它允許系統(tǒng)的狀態(tài)得到穩(wěn)定而無(wú)需在約瑟 夫遜結(jié)上結(jié)合分流電阻。鎖存量子位產(chǎn)生了小于單一的通量量子(SFQ)器件的熱量并且因 此對(duì)于在毫開(kāi)爾文溫度下工作并對(duì)熱噪聲高度敏感的系統(tǒng)是一種有用的邏輯器件。鎖存量子位保持在時(shí)鐘信號(hào)脈動(dòng)并建立勢(shì)能曲線中的屏障時(shí)加載的瞬時(shí)輸入信 號(hào)。然而，實(shí)際上，該鎖存信號(hào)可以受到在屏障保持時(shí)(即，在時(shí)鐘脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi))發(fā)生 的輸入信號(hào)中波動(dòng)的輕微影響。例如，由于器件內(nèi)部以及與其他附近器件的串?dāng)_可能發(fā)生 這些作用。在將超導(dǎo)通量量子位作為鎖存量子位操作時(shí)必須考慮這些串?dāng)_的作用。本系統(tǒng)、方法以及裝置說(shuō)明了鎖存量子位在讀出至少一個(gè)部件量子位的狀態(tài)中的 應(yīng)用。鎖存量子位能夠以一種安靜的、非破壞性的方式協(xié)助計(jì)算量子位的讀出，該方式降低 或消除從測(cè)量系統(tǒng)到計(jì)算量子位的過(guò)度的噪聲耦連。在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)鎖存量子位 可以被用于介導(dǎo)在計(jì)算量子位與測(cè)量器件之間的耦連。圖5是讀出系統(tǒng)500的實(shí)施方案的示意圖，其中鎖存量子位501被用于介導(dǎo)在計(jì) 算量子位502與dc-SQUID磁強(qiáng)計(jì)503之間的耦連。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解一個(gè)鎖 存量子位可以類似地被用于介導(dǎo)在許多不同類型的超導(dǎo)量子位與測(cè)量器件之間的耦連。通 過(guò)與圖3相比較，在圖5中計(jì)算量子位502將信號(hào)輸入提供到鎖存量子位501的左側(cè)上，并 且磁強(qiáng)計(jì)503接收來(lái)自鎖存量子位501右側(cè)的信號(hào)輸出。來(lái)自計(jì)算量子位502的到鎖存量 子位501中的信號(hào)輸入可以引發(fā)鎖存量子位501的量子位環(huán)路中的一個(gè)循環(huán)電流。正是這 個(gè)循環(huán)電流最終可以作為計(jì)算量子位502的狀態(tài)的代表由磁強(qiáng)計(jì)503測(cè)出。本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員將理解在圖5所示的實(shí)施方案中使用的“左至右”信號(hào)傳播旨在僅用于展示性目 的。輸入到鎖存量子位的以及從其輸出的這些信號(hào)可以被定位在圍繞該鎖存量子位本體的 任何位置上。在圖5所示的實(shí)施方案中，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)在時(shí)鐘信號(hào)線上脈動(dòng)時(shí)鎖存量子位501 對(duì)計(jì)算量子位502的瞬時(shí)狀態(tài)進(jìn)行鎖存。在計(jì)算量子位502的狀態(tài)被鎖存量子位501鎖存 時(shí)，一個(gè)信號(hào)從鎖存量子位501傳輸?shù)竭M(jìn)行讀出操作的磁強(qiáng)計(jì)503上。因此，磁強(qiáng)計(jì)503在 計(jì)算量子位502的狀態(tài)已被鎖存之后通過(guò)測(cè)量來(lái)自鎖存量子位501的一個(gè)信號(hào)間接地讀出 計(jì)算量子位502的狀態(tài)。使用至少一個(gè)鎖存量子位來(lái)介導(dǎo)在計(jì)算量子位與狀態(tài)測(cè)量器件之 間的耦連提供了在計(jì)算量子位與測(cè)量器件之間的一個(gè)隔離水平。這種隔離可以降低從測(cè)量 器件到計(jì)算量子位中的噪聲耦連。該隔離水平可以通過(guò)增加介導(dǎo)讀出系統(tǒng)中的鎖存量子位 的數(shù)目而增加。例如，在計(jì)算量子位502與磁強(qiáng)計(jì)503之間的耦連可以被相互串聯(lián)耦連的多個(gè)鎖存量子位介導(dǎo)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，取決于系統(tǒng)中所希望的隔離水平，可 以將任何數(shù)目的鎖存量子位串聯(lián)耦連在一起以介導(dǎo)在計(jì)算量子位與測(cè)量器件之間的耦連。美國(guó)專利公開(kāi)2006-0248618說(shuō)明了一種類似的技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)將一個(gè)第一量 子位狀態(tài)傳輸?shù)揭粋€(gè)第二量子位并且然后從該第二量子位讀出所傳輸?shù)臓顟B(tài)來(lái)讀出該第 一量子位的狀態(tài)。然而，專用的鎖存量子位在讀出如本系統(tǒng)、方法以及裝置所述的專用的計(jì) 算量子位的狀態(tài)上的實(shí)現(xiàn)方式可以實(shí)現(xiàn)美國(guó)專利公開(kāi)2006-0248618中未看到的多個(gè)額外 的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將計(jì)算和鎖存操作分開(kāi)這樣可以不要求一個(gè)單獨(dú) 的量子位來(lái)執(zhí)行這兩種操 作，計(jì)算量子位的參數(shù)可以被更好地設(shè)計(jì)為用于執(zhí)行計(jì)算操作并且鎖存量子位的參數(shù)可以 被更好地設(shè)計(jì)為用于執(zhí)行鎖存(以及讀出)操作。例如，與專用的計(jì)算量子位相比，一個(gè)專 用的鎖存量子位可以被設(shè)計(jì)為在其勢(shì)能曲線中實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的中央屏障。這個(gè)高的中央屏 障可以允許一個(gè)鎖存的經(jīng)典狀態(tài)在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)存儲(chǔ)而不會(huì)顯著衰減并且可以用于 降低在讀出操作過(guò)程中噪聲的影響。在此處描述的這些不同的實(shí)施方案中，與計(jì)算量子位 相比一個(gè)鎖存量子位總體上在對(duì)抗噪聲以及讀出的反向作用方面更魯棒。專用的鎖存量子位的實(shí)現(xiàn)方式的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，在一些實(shí)施方案中，圖5所示 的讀出系統(tǒng)500可以被用于放大從計(jì)算量子位502耦連到磁強(qiáng)計(jì)503上的一個(gè)通量信號(hào)。 在讀出之前將來(lái)自計(jì)算量子位502的信號(hào)放大可以幫助更好地解析該信號(hào)并且使該讀出 信號(hào)在對(duì)抗噪聲時(shí)更魯棒。在讀出系統(tǒng)500的一個(gè)實(shí)施方案中，施加到鎖存量子位501的 CJJ上的時(shí)鐘信號(hào)可以是近似于恒定的，例如，具有約Oo或更大的一個(gè)值。在這種方案中， 鎖存量子位501可以起到通量放大器的作用。取決于包括鎖存量子位501的器件的這些參 數(shù)(例如像約瑟夫遜結(jié)的臨界電流以及它們的電感)，在鎖存量子位501的量子位環(huán)路中感 應(yīng)的循環(huán)電流可以變得大于來(lái)自計(jì)算量子位502的輸入信號(hào)。由于正是在鎖存量子位501 的量子位環(huán)路中的這個(gè)循環(huán)電流最終可以由磁強(qiáng)計(jì)503來(lái)測(cè)量，所以來(lái)自計(jì)算量子位502 的信號(hào)可以有效地被放大。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解放大的水平可以通過(guò)相應(yīng)地選擇 包括鎖存量子位501的不同器件的這些設(shè)計(jì)參數(shù)而被控制。在一些實(shí)施方案中，如果在計(jì)算量子位502與鎖存量子位501之間的互感M乘以 鎖存量子位501的磁化率X是大于1，那么可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)鎖存量子位501從計(jì)算量子位502 耦連到磁強(qiáng)計(jì)503的通量信號(hào)的正放大。這就是說(shuō)，鎖存量子位501可以實(shí)現(xiàn)正通量放大， 如果MX 彡 1。在多個(gè)類似的實(shí)施方案中，一個(gè)鎖存量子位可以被用作超導(dǎo)系統(tǒng)(例如像超導(dǎo)量 子處理器)中的不同部件之間的一個(gè)可調(diào)諧的變換器。因此，鎖存量子位501可以介導(dǎo)在 計(jì)算量子位502與磁強(qiáng)計(jì)503之間的耦連，并且在這樣做時(shí)可以控制從計(jì)算量子位502耦 連到磁強(qiáng)計(jì)503上的信號(hào)的幅值。在其他實(shí)施方案中，本系統(tǒng)、方法以及裝置說(shuō)明了使用鎖存量子位來(lái)讀出多個(gè)計(jì) 算量子位的狀態(tài)。在此類實(shí)施方案中，使用一組鎖存量子位來(lái)建造一個(gè)基于通量的超導(dǎo)移 位寄存器可以是有利的。于是該多個(gè)計(jì)算量子位可以被鎖存到移位寄存器上，在該移位寄 存器中計(jì)算量子位信號(hào)可以被移位到用于讀出的單一測(cè)量器件上。圖6是使用鎖存量子位作為其基本邏輯元件的基于通量的超導(dǎo)移位寄存器600的 實(shí)施方案的示意圖。在美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/109,847中說(shuō)明了鎖存量子位的一種實(shí)現(xiàn)方式?；谕康某瑢?dǎo)移位寄存器600的結(jié)構(gòu)包括安排在一個(gè)鏈條上的多個(gè)鎖存量子位， 這樣使得每個(gè)鎖存量子位被配置為通信性(即電感性地)耦連到至少一個(gè)相鄰的鎖存量子 位上。具體而言，除了鏈條的起始和結(jié)尾處外，在鏈條上的每個(gè)鎖存量子位被耦連到鏈條中 的兩個(gè)其他鎖存量子位上。位于鏈條的起始和結(jié)尾處的鎖存量子位可以各自僅被耦連到一 個(gè)其他的鎖存量子位上。通過(guò)在圖6中繪出作為一條直的水平線的移位寄存器600，本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員將理解這些器件的幾何布局可以采取任何形式以適應(yīng)實(shí)現(xiàn)該器件或這些 器件的具體系統(tǒng)的要求。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解可以類似地實(shí)施多個(gè)耦連的鎖存量 子位的兩維布局(如箱體或蛇形的“S”圖案)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解通過(guò)相應(yīng)地按比例縮放圖6所示的器件可以建造 任何解決方案的一個(gè)類似的移位寄存器。圖6所示的實(shí)施方案使用多個(gè)鎖存量子位601、 602和603以便各自管理以離散磁通量量子的形式到達(dá)/來(lái)自至少一個(gè)器件上的一個(gè)位信 息，同時(shí)鎖存量子位611、612、621和622被用作“偽鎖存量子位”用于在移位寄存器600自 身之內(nèi)的信號(hào)隔離以及通信。因?yàn)殒i存量子位601、602和603最終被用于實(shí)施和管理信號(hào)， 所以它們?cè)诖吮环Q作“管理鎖存量子位”。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將會(huì)理解，術(shù)語(yǔ)“管理 器”、“進(jìn)行管理”、“管理”以及類似詞語(yǔ)在本文中用來(lái)包含但不限于生成、經(jīng)管、存儲(chǔ)、運(yùn)算 和傳遞這些數(shù)據(jù)信號(hào)的所有方式。因此，術(shù)語(yǔ)“管理鎖存量子位”在此被用于表示一個(gè)鎖存 量子位，它被耦連到另一個(gè)器件上并由此管理到達(dá)/來(lái)自該器件的一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)。在移位寄存器600中的每個(gè)鎖存量子位以類似于圖3的鎖存量子位300的方式運(yùn) 行。這就是說(shuō)，在移位寄存器600中的每個(gè)鎖存量子位被耦連到一個(gè)輸入信號(hào)、一個(gè)輸出信 號(hào)、以及一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)上。在這個(gè)實(shí)施方案中，移位寄存器600具有三個(gè)不同的時(shí)鐘信號(hào) 線，如圖6中的時(shí)鐘A、時(shí)鐘B、以及時(shí)鐘C所示。當(dāng)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)脈動(dòng)以便在勢(shì)能曲線中 建立一個(gè)屏障時(shí)，由每個(gè)器件將一個(gè)輸入信號(hào)加載和鎖存，并且在時(shí)鐘脈沖的持續(xù)時(shí)間段 內(nèi)保留該鎖存的信號(hào)。在移位寄存器600中，一個(gè)輸入信號(hào)通過(guò)這些單獨(dú)的鎖存量子位從 左向右按照以下順序傳播:601、611、621、602、612、622、603。圖6所示的示例性移位寄存器600是由七個(gè)鎖存量子位實(shí)現(xiàn)的作為管理鎖存量 子位的鎖存量子位601、602和603、以及用于在移位寄存器600自身內(nèi)部的通信的作為偽鎖 存量子位的鎖存量子位611、612、621和622。在這個(gè)實(shí)施方案中，這些偽鎖存量子位可以被 用于使這些管理鎖存量子位信號(hào)彼此隔離。鎖存量子位601、602和603是管理鎖存量子位 并且各自被用于管理到達(dá)/來(lái)自至少一個(gè)器件的信號(hào)。然而，由于這些器件運(yùn)行的本質(zhì)，是 在這些管理鎖存量子位之間一定水平的隔離可以是令人希望的。一個(gè)鎖存量子位(如圖6 中所示的鎖存量子位中任一個(gè))可以保持一個(gè)信號(hào)直到由對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘脈沖專門(mén)將它淬滅。 此外，不同于標(biāo)準(zhǔn)邏輯門(mén)，在相鄰的鎖存量子位之間的信號(hào)傳輸不是在一個(gè)優(yōu)選的方向上 偏置的。取決于時(shí)鐘脈沖的同步作用，在給定的鎖存量子位中鎖存的一個(gè)信號(hào)可以向后行 進(jìn)的方式正如向前一樣(即，在圖6中右至左與左至右一樣)。實(shí)施其中至少兩個(gè)偽鎖存量 子位將每對(duì)連續(xù)管理鎖存量子位分開(kāi)的一種系統(tǒng)允許這些管理鎖存量子位得到充分隔離， 這樣使時(shí)鐘脈沖的一個(gè)特意的序列僅允許輸入信號(hào)向前傳播(即，圖6中左至右)。這個(gè)實(shí) 施方案確保了至少一層淬滅的鎖存量子位可以將相鄰的管理鎖存量子位分開(kāi)并因此停止 邏輯信號(hào)的反向耦連。使用了三個(gè)時(shí)鐘信號(hào)線，因?yàn)殒i存量子位是二端器件。因此，在移位 寄存器600中的相鄰的鎖存量子位是在不同的相位啟動(dòng)的并且邏輯信號(hào)是從一個(gè)有源器件傳播到下一個(gè)相鄰的被啟動(dòng)的器件上。如果圖6中的鎖存量子位的序列(即601、611、 621、602、612、622、603)是作為 AdminO、lDumO、2DumO、Adminl、lDuml、2Duml、以及 Admin2 被 讀出，那么這些時(shí)鐘信號(hào)被耦連移位寄存器600上，這樣使AdminO，Adminl，以及Admin2全 部被耦聯(lián)到一個(gè)第一時(shí)鐘線(時(shí)鐘A)上；lDumO和lDuml 二者都被耦連到一個(gè)第二時(shí)鐘線 (時(shí)鐘B)上；并且2DumO和2Duml 二者都被耦連到一個(gè)第三時(shí)鐘線(時(shí)鐘C)上。因此，處 于通信性(例如電感性地)耦連的鎖存量子位的這一行中同一個(gè)相對(duì)位置中的鎖存量子位 被全部耦連到同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)線上。例如，所有管理鎖存量子位被耦連到一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)線 上，在其左側(cè)上耦連到一個(gè)管理鎖存量子位上的所有偽鎖存量子位被耦連到一個(gè)第二時(shí)鐘 信號(hào)線上，并且在其右側(cè)上耦連到一個(gè)管理鎖存量子位上的所有偽鎖存量子位被耦連到一 個(gè)第三時(shí)鐘信號(hào)線上。如先前所陳述的，例如，如果每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)以絕熱的頻率運(yùn)行，那么 根據(jù)本系統(tǒng)、方法以及裝置，跨越每個(gè)約瑟夫遜結(jié)的分流電阻可以被省略。此外，雖然圖6 示出的所有通信性耦連都是電感性耦連，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解通信性耦連的 替代方式(如電耦連)可以(適當(dāng)時(shí))被替代地用于在具體的應(yīng)用中。在一些實(shí)施方案中，一個(gè)輸入信號(hào)僅在如果它與進(jìn)入一個(gè)器件中的時(shí)鐘脈沖一致 時(shí)針對(duì)這個(gè)給定的鎖存量子進(jìn)行管理。例如，如果一個(gè)高輸入信號(hào)被耦連到鎖存量子位601 之中，那么只有當(dāng)時(shí)鐘A脈動(dòng)以便在勢(shì)能曲線中建立一個(gè)屏障時(shí)該信號(hào)才會(huì)被鎖存量子位 601鎖存。現(xiàn)在，如果時(shí)鐘B在時(shí)鐘A的脈沖過(guò)程中脈動(dòng)(即，在時(shí)鐘A返回到淬滅的狀態(tài) 之前)，那么鎖存量子位611將鎖存來(lái)自鎖存量子位601的信號(hào)。類似地，如果時(shí)鐘C在時(shí) 鐘B的脈沖過(guò)程中脈動(dòng)(即，在時(shí)鐘B返回到淬滅的狀態(tài)之前)，那么鎖存量子位621將鎖 存來(lái)自鎖存量子位611的信號(hào)。圖6所示的基于通量的超導(dǎo)移位寄存器的實(shí)施方案是展示性的并且僅被用作鎖 存量子位可以在其中實(shí)施為移位寄存器的一種方式的實(shí)例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解 實(shí)施了不同數(shù)目的偽鎖存量子位和/或不同數(shù)目的時(shí)鐘信號(hào)線的任何系統(tǒng)都在具體系統(tǒng) 中可以是有利的。本系統(tǒng)、方法以及裝置說(shuō)明了基于通量的超導(dǎo)移位寄存器(如圖6的移位寄存器 600)在讀出多個(gè)計(jì)算量子位中的每個(gè)計(jì)算量子位的狀態(tài)時(shí)的一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)方式。圖7是使用基于通量的超導(dǎo)移位寄存器701的讀出系統(tǒng)700的實(shí)施方案的示意 圖，該寄存器包括多個(gè)鎖存量子位以讀出多個(gè)計(jì)算量子位中的每個(gè)計(jì)算量子位的狀態(tài)。移 位寄存器701的操作是與圖6的移位寄存器600的操作非常類似的，除了數(shù)據(jù)信號(hào)是通過(guò) 計(jì)算量子位721和722輸入到移位寄存器701中，這與通過(guò)一個(gè)單一信號(hào)輸入線相反。在 移位寄存器701中，當(dāng)在時(shí)鐘A中存在一個(gè)脈沖時(shí)，管理鎖存量子位711鎖存計(jì)算量子位 721的狀態(tài)。類似地，當(dāng)在時(shí)鐘B中存在一個(gè)脈沖時(shí)，管理鎖存量子位712鎖存計(jì)算量子位 722的狀態(tài)。通過(guò)如對(duì)于圖6中的移位寄存器600所描述的時(shí)鐘信號(hào)A-C的受控的脈動(dòng)， 計(jì)算量子位721和722的狀態(tài)可以沿著移位寄存器701轉(zhuǎn)移到管理鎖存量子位713上，其 中這些信號(hào)被一個(gè)測(cè)量器件(如磁強(qiáng)計(jì)731)讀出。因此，讀出系統(tǒng)700允許兩個(gè)計(jì)算量子 位(721和722)通過(guò)一個(gè)單一測(cè)量器件(磁強(qiáng)計(jì)731)讀出。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理 解一個(gè)類似的移位寄存器設(shè)計(jì)可以被應(yīng)用于讀出任何數(shù)目的計(jì)算量子位的狀態(tài)。通過(guò)一種 包括多個(gè)鎖存量子位的基于通量的超導(dǎo)移位寄存器來(lái)執(zhí)行計(jì)算量子位的讀出，本系統(tǒng)、方 法以及裝置可以降低所要求的外部信號(hào)線的數(shù)目來(lái)運(yùn)行一個(gè)超導(dǎo)處理器。因此，多個(gè)測(cè)量可以由一個(gè)單一器件(如磁強(qiáng)計(jì)731)來(lái)執(zhí)行，而不是具有對(duì)應(yīng)于每個(gè)單獨(dú)的計(jì)算量子位的 一個(gè)對(duì)應(yīng)的測(cè)量器件。在圖5中，介導(dǎo)鎖存量子位501提供了在計(jì)算量子位502與磁強(qiáng)計(jì)503之間的隔 離水平。如先前所討論的，這種隔離水平可以通過(guò)將串聯(lián)的額外的介導(dǎo)鎖存量子位插入在 計(jì)算量子位502與磁強(qiáng)計(jì)503之間而得到增加。類似地，在一些實(shí)施方案中，將鎖存量子位 與這些包括基于通量的超導(dǎo)移位寄存器的鎖存量子位隔離可以是有利的。圖8是一個(gè)讀出系統(tǒng)800的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖，該系統(tǒng)通過(guò)使用一種包括 多個(gè)鎖存量子位的基于通量的超導(dǎo)移位寄存器可以讀出多個(gè)計(jì)算量子位中的每個(gè)計(jì)算量 子位的狀態(tài)。移位寄存器801以一種類似于圖7的移位寄存器701的方式操作，但是讀出 系統(tǒng)800包括多個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位841-843，這些介導(dǎo)鎖存量子位并不包括在讀出系統(tǒng)700 之中。介導(dǎo)鎖存量子位841可以被用于介導(dǎo)在計(jì)算量子位821與移位寄存器801之間的耦 連。類似地，介導(dǎo)鎖存量子位842可以被用于介導(dǎo)在計(jì)算量子位822與移位寄存器801之 間的耦連。此外，介導(dǎo)鎖存量子位843可以被用于介導(dǎo)在移位寄存器801與一個(gè)測(cè)量器件 (如磁強(qiáng)計(jì)831)之間的耦連。在讀出系統(tǒng)800中，多個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位841-843全部受同 一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)線“時(shí)鐘D”控制。因此，當(dāng)在時(shí)鐘信號(hào)線時(shí)鐘D上的時(shí)鐘信號(hào)脈動(dòng)時(shí)這些計(jì) 算量子位的狀態(tài)被鎖存，并且這些狀態(tài)可以然后以類似于用于圖6中的移位寄存器600說(shuō) 明的方式通過(guò)移位寄存器801來(lái)傳播。在本實(shí)施方案中，在時(shí)鐘信號(hào)線時(shí)鐘D上的一個(gè)脈 沖還鎖存了來(lái)自移位寄存器801中的鎖存量子位851的一個(gè)信號(hào)或狀態(tài)并且將該信號(hào)或狀 態(tài)傳輸?shù)酱艔?qiáng)計(jì)831上用于讀出。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，在一些實(shí)施方案中，在一 個(gè)讀出系統(tǒng)中使用不同數(shù)目的實(shí)在信號(hào)線可以是有利的。例如，在一些實(shí)施方案中，通過(guò)其 自身對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)控制每個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位可以是有利的，或者通過(guò)同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控 制具體多組的介導(dǎo)鎖存量子位可以是有利的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還將理解，以很大程度上與圖5所述相同的方式，任何數(shù) 目的介導(dǎo)鎖存量子位可以彼此串聯(lián)地耦合以進(jìn)一步增加在移位寄存器與計(jì)算量子位或測(cè) 量器件之間的隔離。在使用耦連到一起的多鎖存量子位來(lái)介導(dǎo)給定的耦連的多個(gè)實(shí)施方案 中，將更大數(shù)目的時(shí)鐘信號(hào)線結(jié)合到系統(tǒng)中可以是有用的。此外，多個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位(如 介導(dǎo)鎖存量子位841-843)各自可以用于以類似于用于圖5的介導(dǎo)鎖存量子位501描述的 方式放大由一個(gè)對(duì)應(yīng)的計(jì)算量子位輸出的這個(gè)或這些信號(hào)。對(duì)所展示的實(shí)施方案的以上說(shuō)明(包括在摘要中所描述的)并非旨在是窮盡的或 者把這些實(shí)施方案限定到所披露的確切的形式。雖然為了解說(shuō)的目的在此描述了具體的實(shí) 施方案和實(shí)例，但是正如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到的，無(wú)須偏離本披露的精神和范 圍即可以做出不同的等效修改。在此提供的不同實(shí)施方案的傳授內(nèi)容可以應(yīng)用到多種超 導(dǎo)讀出系統(tǒng)、方法以及裝置上，不必一定是以上總體性描述的示例性讀出系統(tǒng)、方法以及裝 置?？蓪⑸鲜霾煌膶?shí)施方案進(jìn)行組合以提供多個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施方案。本說(shuō)明書(shū)中 提到的和/或在申請(qǐng)數(shù)據(jù)單中列出的所有美國(guó)專利、美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)、美國(guó)專利申請(qǐng)、 外國(guó)專利、外國(guó)專利申請(qǐng)以及非專利公開(kāi)文件均通過(guò)引用、以它們的全文結(jié)合在此，它們包 括但不限于2007 年 9 月 24 日提交的名為 “Systems，Methods, andApparatus for Qubit State Readout”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)60/974，743 ；美國(guó)專利號(hào)6，838，694 ；美國(guó)專利號(hào)7，335，909 ；美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)2006-0225165 ；美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/013，192 ；2007 $ 11 月 8 HJI^W^^J "Systems, Devices and Methods for AnalogProcessing” 國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)60/986，554 ；美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)2006-0147154 ；美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào) 12/017，995 ；美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/109, 847 ；以及美國(guó)專利公開(kāi)號(hào)2006-0248618。如有 必要，對(duì)這些實(shí)施方案的各個(gè)方面可以進(jìn)行修改，以利用不同的專利、申請(qǐng)和公開(kāi)文件中的 系統(tǒng)、電路及概念來(lái)提供更進(jìn)一步的實(shí)施方案。 鑒于以上的詳細(xì)說(shuō)明，對(duì)這些實(shí)施方案可做出這些或其他的改變?？傊谝韵聶?quán) 利要求中，所使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)當(dāng)解釋為將權(quán)利要求限制為本說(shuō)明書(shū)和這些權(quán)利要求所披露 的特定實(shí)施方案，而是應(yīng)當(dāng)解釋為包括所有可能的實(shí)施方案，連同這些權(quán)利要求有權(quán)獲得 的所有的等效物的全部范圍。因此，這些權(quán)利要求并不限于本披露。
權(quán)利要求
一種超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，包括一個(gè)計(jì)算量子位；一個(gè)測(cè)量器件，該測(cè)量器件用于測(cè)量該計(jì)算量子位的一種狀態(tài)；一個(gè)第一鎖存量子位，該第一鎖存量子位包括由超導(dǎo)材料的環(huán)路形成的一個(gè)量子位環(huán)路以及使該量子位環(huán)路間斷的一個(gè)復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)，其中該復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)是由一個(gè)超導(dǎo)材料的閉合環(huán)路形成的，該閉合環(huán)路被至少兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)間斷；以及一個(gè)第一時(shí)鐘信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被配置為將多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)通信性耦連到該第一鎖存量子位的復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)上；其中該計(jì)算量子位與該測(cè)量器件中的至少一個(gè)被配置為通信性地耦連到該第一鎖存量子位上，這樣使該第一鎖存量子位介導(dǎo)在該計(jì)算量子位與該測(cè)量器件之間的通信性耦連。
2.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中該計(jì)算量子位是選自下組的一個(gè)超導(dǎo)量子 位，該組的構(gòu)成為一個(gè)超導(dǎo)通量量子位、一個(gè)超導(dǎo)電荷量子位、一個(gè)超導(dǎo)相位量子位、以及 一個(gè)超導(dǎo)混合量子位。
3.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中該測(cè)量器件包括一個(gè)磁強(qiáng)計(jì)。
4.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中在該第一鎖存量子位與該計(jì)算量子位以及 該測(cè)量器件中的至少一個(gè)之間的通信性耦連包括電感性耦連。
5.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中該第一時(shí)鐘信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)被配置為在一個(gè) 大致絕熱的頻率上耦連一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。
6.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中該絕熱的頻率是低于約20GHz。
7.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中一個(gè)大致恒定的時(shí)鐘信號(hào)被施加到該第 一鎖存量子位的復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)上并且將該復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)中的至少兩個(gè)約瑟夫遜 結(jié)的參數(shù)選擇為使得被耦連到該第一鎖存量子位的量子位環(huán)路上的一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)具 有更大幅值的對(duì)應(yīng)的信號(hào)，該對(duì)應(yīng)的信號(hào)是從該第一鎖存量子位的量子位環(huán)路上進(jìn)行耦連 的。
8.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，進(jìn)一步包括至少一個(gè)額外的鎖存量子位，該量 子位被配置為與該第一鎖存量子位串聯(lián)地通信性耦連，其中該計(jì)算量子位被配置為通信性 耦連到該第一鎖存量子位上并且該測(cè)量器件被配置為通信性耦連到該至少一個(gè)額外的鎖 存量子位上，這樣使該第一鎖存量子位以及該至少一個(gè)額外的鎖存量子位二者介導(dǎo)在該計(jì) 算量子位與該測(cè)量器件之間的通信性耦連。
9.如權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中該第一鎖存量子位以及該至少一個(gè)額外的 鎖存量子位各自被配置為通信性耦連到一個(gè)對(duì)應(yīng)的絕熱時(shí)鐘信號(hào)線上。
10.一種超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，包括多個(gè)計(jì)算量子位；一個(gè)測(cè)量器件，該測(cè)量器件用于測(cè)量這些計(jì)算量子位中的至少一個(gè)的一種狀態(tài)；以及一個(gè)移位寄存器，該移位寄存器包括多個(gè)單獨(dú)的寄存器，其中至少一個(gè)寄存器被配置 為通信性耦連到每個(gè)計(jì)算量子位上，并且至少一個(gè)寄存器被配置為通信性耦連到該測(cè)量器 件上。
11.如權(quán)利要求10所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中這些計(jì)算量子位中的至少一個(gè)是選自下組的一個(gè)超導(dǎo)量子位，該組的構(gòu)成為一個(gè)超導(dǎo)通量量子位、一個(gè)超導(dǎo)電荷量子位、一個(gè)超 導(dǎo)相位量子位、以及一個(gè)超導(dǎo)混合量子位。
12.如權(quán)利要求10所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中該測(cè)量器件包括一個(gè)磁強(qiáng)計(jì)。
13.如權(quán)利要求10所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中該移位寄存器包括一個(gè)超導(dǎo)移位寄存
14.如權(quán)利要求13所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中該超導(dǎo)移位寄存器包括一個(gè)基于通量的 超導(dǎo)移位寄存器，該超導(dǎo)讀出系統(tǒng)包括一組管理鎖存量子位，每個(gè)管理鎖存量子位被配置為通過(guò)通信性耦連來(lái)接收多個(gè)管理 時(shí)鐘信號(hào)；一個(gè)第一組偽鎖存量子位，在該第一組偽鎖存量子位中的每個(gè)偽鎖存量子位被配置為 通過(guò)通信性耦連來(lái)接收多個(gè)第一偽時(shí)鐘信號(hào)；以及一個(gè)第二組偽鎖存量子位，該第二組偽鎖存量子位的每個(gè)偽鎖存量子位被配置為通過(guò) 通信性耦連來(lái)接收多個(gè)第二偽時(shí)鐘信號(hào)，其中對(duì)于在該組管理鎖存量子位中的每對(duì)順序的 管理鎖存量子位而言，來(lái)自該第一組鎖存量子位的一個(gè)對(duì)應(yīng)的偽鎖存量子位以及來(lái)自該第 二組偽鎖存量子位的一個(gè)對(duì)應(yīng)的偽鎖存量子位被定位為對(duì)在這對(duì)順序的管理鎖存量子位 的管理鎖存量子位之間的通量進(jìn)行耦連；其中在該基于通量的超導(dǎo)移位寄存器中的一個(gè)第一管理鎖存量子位被配置為接收來(lái) 自一個(gè)第一計(jì)算量子位的一個(gè)第一輸入信號(hào)，并且在該基于通量的超導(dǎo)移位寄存器中的一 個(gè)第二管理鎖存量子位被配置為接收來(lái)自一個(gè)第二計(jì)算量子位的一個(gè)第二輸入信號(hào)。
15.如權(quán)利要求14所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中在該基于通量的超導(dǎo)移位寄存器中的一 個(gè)第三管理鎖存量子位被配置為向該測(cè)量器件發(fā)送一個(gè)輸出信號(hào)。
16.如權(quán)利要求14所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中這些管理時(shí)鐘信號(hào)、第一偽時(shí)鐘信號(hào)、以 及第二偽時(shí)鐘信號(hào)各自是處于一個(gè)大致絕熱的頻率上。
17.如權(quán)利要求14所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，進(jìn)一步包括至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位，該介 導(dǎo)鎖存量子位被配置為在該第一計(jì)算量子位與該第一管理鎖存量子位之間串聯(lián)地進(jìn)行通 信性耦連，這樣使得該至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位被配置為在該第一計(jì)算量子位與該第一管 理鎖存量子位之間介導(dǎo)一個(gè)通信性耦連。
18.如權(quán)利要求17所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，其中每個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位被配置為通過(guò)通信 性耦連來(lái)接收一個(gè)大致絕熱的時(shí)鐘信號(hào)。
19.如權(quán)利要求15所述的超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，進(jìn)一步包括至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位，該量 子位被配置為在該第三管理鎖存量子位與該測(cè)量器件之間串聯(lián)地進(jìn)行通信性耦連，這樣使 得該至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位被配置為在該第三管理鎖存量子位與該測(cè)量器件之間介導(dǎo) 一個(gè)通信性耦連，其中該至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位被配置為通過(guò)通信性耦連來(lái)接收一個(gè)大 致絕熱的時(shí)鐘信號(hào)。
20.讀出一個(gè)計(jì)算量子位的一種狀態(tài)的方法，該方法包括將來(lái)自該計(jì)算量子位的一種狀態(tài)信號(hào)耦連到一個(gè)第一鎖存量子位上；將一個(gè)第一時(shí)鐘信號(hào)耦連到該第一鎖存量子位中的一個(gè)復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)上；使用該第一時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制在該計(jì)算量子位與該第一鎖存量子位之間的狀態(tài)信號(hào)的 耦連；將來(lái)自該第一鎖存量子位的狀態(tài)信號(hào)耦連到一個(gè)測(cè)量器件上；并且使用該第一時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制在該第一鎖存量子位與該測(cè)量器件之間的狀態(tài)信號(hào)的耦連。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括將來(lái)自該第一鎖存量子位的狀態(tài)信號(hào)耦連到一組串聯(lián)耦連的鎖存量子位上，其中該組 包括至少一個(gè)鎖存量子位并且該組中的每個(gè)鎖存量子位被耦連到一個(gè)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)線 上；使用在這些對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)線上的時(shí)鐘信號(hào)以便通過(guò)該組鎖存量子位控制該狀態(tài)信 號(hào)的傳播；將來(lái)自該組鎖存量子位中的一個(gè)最后的鎖存量子位的狀態(tài)信號(hào)耦連到一個(gè)測(cè)量器件 上；并且使用一個(gè)對(duì)應(yīng)于該最后鎖存量子位的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制在該最后鎖存量子位與該測(cè)量 器件之間的耦連。
22.—種讀出多個(gè)計(jì)算量子位中的每個(gè)計(jì)算量子位的狀態(tài)的方法，該方法包括 將來(lái)自每個(gè)計(jì)算量子位的一個(gè)對(duì)應(yīng)的信號(hào)耦連到一個(gè)移位寄存器中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的寄存器中；使在該移位寄存器內(nèi)的多個(gè)相鄰的寄存器之間的這些信號(hào)移位；并且將來(lái)自該移位寄存器中的至少一個(gè)寄存器的這些信號(hào)耦連到至少一個(gè)測(cè)量器件上。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中將來(lái)自每個(gè)計(jì)算量子位的一個(gè)對(duì)應(yīng)的信號(hào)耦連到 一個(gè)移位寄存器中的對(duì)應(yīng)的寄存器中包括將這些信號(hào)耦連到一個(gè)超導(dǎo)移位寄存器的多個(gè) 對(duì)應(yīng)的移位寄存器中。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中將來(lái)自每個(gè)計(jì)算量子位的一個(gè)對(duì)應(yīng)的信號(hào)耦連到 一個(gè)超導(dǎo)移位寄存器的一個(gè)對(duì)應(yīng)的移位寄存器中包括將這些信號(hào)耦連到包括多個(gè)鎖存量 子位的一個(gè)基于通量的超導(dǎo)移位寄存器中的多個(gè)對(duì)應(yīng)的寄存器中。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位介導(dǎo)來(lái)自這 些計(jì)算量子位中的至少一個(gè)到該移位寄存器中的對(duì)應(yīng)的移位寄存器的信號(hào)耦連。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中介導(dǎo)該耦連包括對(duì)該至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位施 加一組時(shí)鐘信號(hào)脈沖。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位介導(dǎo)來(lái)自這 些寄存器的至少一個(gè)到該測(cè)量器件的信號(hào)耦連。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中介導(dǎo)該耦連包括對(duì)該至少一個(gè)介導(dǎo)鎖存量子位施 加一組時(shí)鐘信號(hào)脈沖。
29.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該耦連以及移位包括對(duì)在該移位寄存器中的這些 寄存器施加一組時(shí)鐘信號(hào)脈沖。
全文摘要
一種超導(dǎo)讀出系統(tǒng)，包括一個(gè)計(jì)算量子位；一個(gè)測(cè)量器件，用于測(cè)量該計(jì)算量子位的一種狀態(tài)；以及一個(gè)鎖存量子位，該鎖存量子位介導(dǎo)在該計(jì)算量子位與該測(cè)量器件之間的通信性耦連。該鎖存量子位包括一個(gè)量子位環(huán)路，該量子位環(huán)路包括相互串聯(lián)耦連的至少兩個(gè)超導(dǎo)電感器；使該量子位環(huán)路間斷的一個(gè)復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)，該量子位環(huán)路包括在該復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)中相互串聯(lián)耦連并且相對(duì)于該閉合環(huán)路相互并聯(lián)地耦連的至少兩個(gè)約瑟夫遜結(jié)；以及一個(gè)第一時(shí)鐘信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)，用于將多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)耦合到該復(fù)合的約瑟夫遜結(jié)上。
文檔編號(hào)G06N99/00GK101868802SQ200880117254
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月24日
發(fā)明者安德魯·J·伯克利 申請(qǐng)人:D-波系統(tǒng)公司