Сверхпроводниковая многокубитная схема связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью

Сверхпроводниковая многокубитная схема связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью относится к системам 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. Целью предлагаемого изобретения является улучшение когерентных свойств кубита, упрощение процедуры контроля состояниями вычислительных кубитов и управление величиной взаимодействия между вычислительными кубитами. Техническим результатом является разработка сверхпроводниковой многокубитной схемы связи с возможностью реализации перестраиваемой величины взаимодействия между вычислительными кубитами, обладающими частотой основного перехода ниже 1 ГГц. Технический результат достигается тем, что схема содержит две двухэлектродные системы на основе кинетической индуктивности и одну связующую двухэлектродную систему на основе кинетической индуктивности, каждая из которых имеет линейную моду, не перестраиваемую по частоте, и нелинейную моду, перестраиваемую по частоте 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Сверхпроводниковая многокубитная схема связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью (далее сверхпроводниковая многокубитная схема связи) относится к системам 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.

Известно изобретение, описанное в патенте US20170212860 A1, предназначенное для опосредованной связи между удаленными сверхпроводниковыми кубитами и представляющее собой перестраиваемую связующую систему, которая включает в себя первый входной порт, соединенный с первым концом элемента связи с переменной индуктивностью через первый резонатор, и второй входной порт, соединенный со вторым концом элемента связи с переменной индуктивностью через второй резонатор. Первый входной порт предназначен для подключения к первому кубиту, а второй выходной порт настроен на подключение на второй кубит.

Недостатком данной системы является использование дополнительных элементов цепей, а именно четвертьволновых микроволновых резонаторов, что усложняет возможность масштабирования для создания многокубитных систем, а также усложняет возможность применимости данного изобретения для связи кубитов с частотой основного перехода ниже 1 ГГц, дополнительным недостатком данной системы является использование индуктивно связанной линии контроля магнитного потока в контуре элемента связи, что приводит к необходимости подачи больших управляющих токов.

Известна система, описанная в патенте US20200162078, состоящая из первого и второго кубитов, а также перестраиваемого микроволнового резонатора, расположенного между этими двумя кубитами, при этом одно значение приложенного магнитного потока настраивает резонатор на первую частоту, где первая частота сконфигурирована для активации взаимодействия между первым кубитом и вторым кубитом, а второе значение приложенного магнитного потока перестраивает микроволновый резонатор на вторую частоту, где вторая частота сконфигурирована так, чтобы минимизировать взаимодействие между первым кубитом и вторым кубитом.

Недостатком системы является использование кубитов с частотой основного перехода (выше одного 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 также является использование индуктивно связанных со СКВИДом (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device - «сверхпроводящий квантовый интерферометр») резонатора линий контроля магнитного потока, что приведет к подаче больших управляющих токов в отличие от использования гальванически связанных линий контроля.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является изобретение, описанное в патенте US20170193388A1, представляющее собой многокубитную архитектуру на основе сверхпроводниковых кубитов с фиксированной частотой и с перестраиваемой величиной связи. Изобретение обеспечивает возможность реализации механизма связи и способа активации взаимодействия между сверхпроводниковыми кубитами, а также демонстрирует вариант квадратной решетки расположения кубитов и элементов связи.

Недостатком прототипа является использование кубитов с высокой частотой основного перехода (выше нескольких гигагерц) 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 системы также ограничивает скорость выполнения однокубитных и двухкубитных вентильных операций.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение когерентных свойств кубита, упрощение процедуры контроля состояниями вычислительных кубитов и управление величиной взаимодействия между вычислительными кубитами.

Техническим результатом является разработка сверхпроводниковой многокубитной схемы связи с возможностью реализации перестраиваемой величины взаимодействия между вычислительными кубитами, обладающими частотой основного перехода ниже 1 ГГц, без необходимости использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубиты микроволновых импульсных сигналов.

Технический результат достигается тем, что схема содержит две двух-электродные системы на основе кинетической индуктивности и одну связующую двухэлектродную систему на основе кинетической индуктивности, каждая из которых имеет линейную моду, не перестраиваемую по частоте, и нелинейную моду, перестраиваемую по частоте, причем линейные моды первой, второй и связующей двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану гармонического осциллятора, а нелинейные моды первой, второй и связующей двухэлектродной 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 двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, расположенная между первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности, линейная мода которой выполняет роль неперестраиваемого элемента связи между первым и вторым вычислительными кубитами, причем первый электрод связующей двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности емкостно связан с одним из электродов первой двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, а второй электрод связующей двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности емкостно связан с одним из электродов второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, таким образом, что емкостные связи с первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности симметричны, кроме того, первая, вторая и связующая двухэлектродные системы на основе кинетической индуктивности peaлизованы 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 в замкнутый контур первой, второй и связующей двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности между вторыми электродами первого и второго кинетических индукторов гальванически встроены линии контроля магнитного потока, причем 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, второй и связующей 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 частоты первого и второго вычислительных кубитов, помещенных в свои рабочие точки, меньше, чем частота перестраиваемого связующего кубита, помещенного в его точку вырождения магнитного потока, причем первый и второй вычислительные кубиты, помещенные в свои рабочие точки, постоянно связаны посредством линейной моды связующей двухэлектродной системы, при этом минимуму взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы равное нулю, а максимуму взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока равное по абсолютному значению половине кванта магнитного потока, кроме того, взаимодействие между первым и вторым вычислительными кубитами меняет местами возбуждение между двумя вычислительными кубитами и 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 - принципиальная схема построения сверхпроводниковой многокубитной схемы связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью;

на фиг. 3 - примерная топология (не в масштабе) сверхпроводниковой многокубитной схемы связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью, выполненная в планарной архитектуре;

на фиг. 4 - 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. 5 - результаты численного расчета зависимости частот симметричной (|1,0〉+|0,1〉) и антисимметричной (|1,0〉-|0,1〉) мод первого и второго вычислительных кубитов («Qubit 1» и «Qubit 2»), где первый индекс отвечает за населенность первого кубита, а второй индекс отвечает за населенность второго кубита, помещенных в минимум частоты, путем выставления внешнего магнитного потока в контуре каждого из кубитов равном 0.5Φ₀ (точка вырождения магнитного потока), от величины внешнего магнитного потока в контуре перестраиваемого элемента связи «Coupler»;

на фиг. 6 - 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 0.5Φ₀ (точка вырождения магнитного потока), от величины внешнего магнитного потока в контуре перестраиваемого элемента связи «Coupler», где g_XX -величина эффективного XX взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами (в данном случае величина эффективного XX взаимодействия определяется согласно формуле 3);

на фиг. 7 - 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 0.5Φ₀, от величины внешнего магнитного потока в контуре перестраиваемого элемента связи «Coupler», где ζ_ZZ - величина эффективного ZZ взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами (в данном случае величина эффективного ZZ взаимодействия определяется согласно формуле 4);

на фиг. 8 - упрощенная схема одномерной структуры кубитов, реализованных на базе двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности, связанных посредством перестраиваемых элементов связи, также реализованных на базе двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности.

Эквивалентная электрическая схема сверхпроводниковой многокубитной схемы связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью показана на фиг. 1. Сверхпроводниковая многокубитная схема связи состоит из первой, второй и связующей двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности, которые имеют линейные моды («h₁», «h₂», «h_C»), не перестраиваемые по частоте, и нелинейные моды («f₁», «f₂», «f_C»), перестраиваемые по частоте, причем линейные моды первой, второй и связующей двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану гармонического осциллятора, а нелинейные моды первой, второй и связующей двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану кубита-флуксониума,

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

В крайней левой пунктирной рамке выделена первая двухэлектродная система на основе кинетической индуктивности, состоящая из туннельного джозефсоновского контакта «J₁», обеспечивающего нелинейность, с энергией Е_J1 и эквивалентной емкостью «С_J1», оба электрода 1 и 2 которого имеют распределенные взаимные емкости на землю «C₁» и «С₂» соответственно и соединены с двумя большими кинетическими индукторам «L₁» и «L₂», формирующими совместно с джозефсоновским контактом «J₁» замкнутый контур, при этом электрод между двумя кинетическими индукторами «L₁» и «L₂» заземлен.

В средней пунктирной рамке выделена связующая двухэлектродная система на основе кинетической индуктивности, состоящая из туннельного джозефсоновского контакта «J_C», обеспечивающего нелинейность, с энергией E_JC и эквивалентной емкостью «C_JC», оба электрода 3 и 4 которого имеют распределенные взаимные емкости на землю «С₃» и «С₄» соответственно и соединены с двумя большими кинетическими индукторам «L₃» и «L₄», формирующими совместно с джозефсоновским контактом «Jc» замкнутый контур, при этом электрод между двумя кинетическими индукторами «L₃» и «L₄» заземлен.

В крайней правой пунктирной рамке выделена вторая двухэлектродная система на основе кинетической индуктивности, состоящая из туннельного джозефсоновского контакта «J₂», обеспечивающего нелинейность, с энергией E_J2 и эквивалентной емкостью «C_J2», оба электрода 5 и 6 которого имеют распределенные взаимные емкости на землю «С₅» и «С₆» соответственно и соединены с двумя большими кинетическими индукторам «L₅» и «L₆», формирующими совместно с джозефсоновским контактом «J₂» замкнутый контур, при этом электрод между двумя кинетическими индукторами «L₅» и «L₆» заземлен.

На фиг. 1 приведены следующие обозначения:

- «С₁₃» - емкость связи между первым и третьи электродами системы;

- «С₂₃» - емкость связи между вторым и третьи электродами системы;

- «С₂₅» - емкость связи между вторым и пятым электродами системы;

- «С₄₅» - емкость связи между четвертым и пятым электродами системы;

- «С₄₆» - емкость связи между четвертым и шестым электродами системы;

- нелинейная мода «f₁» первой двухэлектродной системы выполняет роль первого вычислительного кубита;

- нелинейная мода «f₂» второй двухэлектродной системы выполняет роль второго вычислительного кубита;

- нелинейная мода «f_C» связующей двухэлектродной системы выполняет роль перестраиваемого связующего кубита;

- линейная мода «h_C» связующей двухэлектродной системы выполняет роль не перестраиваемого по частоте элемента связи;

- линейная мода «h₁» первой двухэлектродной системы, не используется в расчетах;

- линейная мода «h₂» первой двухэлектродной системы, не используется в расчетах;

- магнитный поток в замкнутом контуре первой двухэлектродной системы выставляется равным 0.5Φ₀ (точка вырождения магнитного потока), где Φ₀ - квант магнитного потока;

- магнитный поток в замкнутом контуре второй двухэлектродной системы выставляется равным 0.5Φ₀ (точка вырождения магнитного потока), где Φ₀ - квант магнитного потока;

- магнитный поток в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы перестраивается для изменения величины силы связи между первым и вторым вычислительными кубитами.

Для дальнейших расчетов магнитный поток в замкнутом контуре первой и второй двухэлектродных систем выставляется равным 0.5Φ₀, где Φ₀ - квант магнитного потока, что является рабочими точками первого и второго вычислительных кубитов, которые соответствует точкам вырождения магнитного потока, когда магнитный поток в контуре кубита по абсолютному значению равен половине кванта магнитного потока, при этом первый и второй вычислительные кубиты имеют минимумы частот их основных переходов.

Принципиальная схема сверхпроводниковой многокубитной схемы связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью изображена на фиг. 2.

На фиг. 2 приведены следующие обозначения:

- «Qubit 1» - первый перестраиваемый по частоте вычислительный кубит, в роли которого выступает нелинейная мода «f₁» первой двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности;

- «Qubit 2» - второй перестраиваемый по частоте вычислительный кубит, в роли которого выступает нелинейная мода «f₂» второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности;

- «Coupler» - перестраиваемый элемент связи, в роли которого выступает связующая двухэлектродная система на основе кинетической индуктивности, расположенная между первой и второй двухэлектродной системами на основе кинетической индуктивности, линейная мода которой «h_C» выполняет роль неперестраиваемого элемента связи между первым и вторым кубитом, а ее нелинейная мода «f_C» является перестраиваемым связующим кубитом и выполняет роль перестраиваемого элемента связи между первым и вторым вычислительным кубитами;

- «g₁₂» - прямая связь между первым и вторым вычислительными кубитами, обусловленная емкостью «С₂₅» на фиг. 1;

- «g_1h» - связь между первым вычислительным кубитом и линейной модой связующей двухэлектродной системы, обусловленная емкостями «С₁₃» и «С₂₃»;

- «g_2h» - связь между вторым вычислительным кубитом и линейной модой связующей двухэлектродной системы, обусловленная емкостями «С₄₅» и «С₄₆»;

- «g_1f» - связь между первым вычислительным кубитом и нелинейной модой связующей двухэлектродной системы, обусловленная емкостями «С₁₃» и «С₂₃»;

- «g_2f» - связь между вторым вычислительным кубитом и нелинейной модой связующей двухэлектродной системы, обусловленная емкостями «С₄₅» и «С₄₆».

Схема состоит из двух вычислительных кубитов («Qubit 1», «Qubit 2»), емкостно связанных между собой с силой связи «g₁₂», каждый из которых также емкостно связан с линейной модой «h_C» и нелинейной модой «f_C» элемента связи «Coupler» с силами связи «g_1h», «g_2h» и «g_1f», «g_2f» соответственно.

Гамильтониан представленной схемы имеет вид:

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

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

- независимый гамильтониан линейной моды «h_C» элемента связи;

- независимый гамильтониан нелинейной моды «f_C» элемента связи;

- эффективное взаимодействие, обусловленное силами связи «g₁₂», «g_1h», «g_2h», «g_1f», «g_2f».

Примерная топология схемы представлена на фиг. 3, где приведены следующие обозначения:

- «Qubit 1» - первый перестраиваемый по частоте вычислительный кубит;

- «Qubit 2» - второй перестраиваемый по частоте вычислительный кубит;

- «Coupler» - перестраиваемый элемент связи;

- «flux line 1» - гальванически связанная линия контроля магнитного потока первого кубита «Qubit 1»;

- «flux line 2» - гальванически связанная линия контроля магнитного потока второго кубита «Qubit 2»;

- «flux line С» - гальванически связанная линия контроля магнитного потока перестраиваемого элемента связи «Coupler».

Нумерация электродов «1», «2», «3», «4», «5», «6» соответствует нумерации на фиг. 1.

«1» и «2» - электроды первой двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, нелинейная мода которой выполняет роль первого вычислительного кубита «Qubit 1»; «3» и «4» - электроды связующей двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, выполняющей роль элемента связи «Coupler»; «5» и «6» - электроды второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, нелинейная мода которой выполняет роль второго вычислительного кубита «Qubit 2». Магнитный поток в контуре первого вычислительного кубита, второго вычислительного кубита и элемента связи создается и контролируется при помощи линий контроля магнитного потока «flux line 1», «flux line 2», «flux line С», гальванически связанных с первой, второй и связующей двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности соответственно.

Численный расчет гамильтониана системы производился при следующих параметрах:

C₁=C₆=70.53fF,

C₂=C_s=51.17fF,

C₃=C₄=49.17fF,

C_J1=1.056fF,

C₂₅=0.167fF,

C₂₃=C₄₅=19.20fF,

C₁₃=C₄₆=0.176fF,

E_J1=E_JC=E_J2=2.14GHz,

L₃=L₄=100.0nHn,

L₁=L₂=L₅=L₆=105.3nHn.

Сначала проводится расчет собственных значений энергии и матричных элементов заряда всех независимых гамильтонианов системы. После этого задается полный гамильтониан системы, где учитываются пять первых энергетических уровней в нелинейной моде первого, второго кубитов и элемента связи («f₁», «f₂» и «f_C») и три первых энергетических уровня в линейной моде элемента связи («h_C»), а также соответствующие матричные элементы заряда для задания слагаемых, ответственных за взаимодействие («g₁₂», «g_1h», «g_2h», «g_1f», «g_2f»), и производится его численная диагонализация.

Результаты численной диагонализации системы могут быть представлены в виде низкоэнергетического гамильтониана, включающего в себя только степени свободы первого и второго вычислительных кубитов:

где ω₁ - частота основного перехода первого вычислительного кубита, равная разности энергий его первого возбужденного состояния и его основного состояния;

ω₂ - частота основного перехода второго вычислительного кубита, равная разности энергий его первого возбужденного состояния и его основного состояния;

и - обычные операторы Паули первого вычислительного кубита;

и - обычные операторы Паули второго вычислительного кубита;

g_xx - эффективная величина XX взаимодействия между кубитами, определяемая по формуле:

где: ω₁₀₊₀₁ - частота симметричной моды первого и второго вычислительных кубитов,

ω_10-01 - частота антисимметричной моды первого и второго вычислительных кубитов;

ζ_ZZ - эффективная величина ZZ взаимодействия между кубитами, определяемая по формуле:

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

Результаты численной диагонализации системы представлены на фиг. 4-7, при расчете первый и второй вычислительные кубиты помещаются в свои рабочие точки, в качестве примера магнитный поток в замкнутом контуре первой и второй двухэлектродных систем выставляется равным 0.5Φ₀, где Φ₀ - квант магнитного потока.

На фиг. 5 представлены зависимости частот симметричной (|1,0〉+|0,1〉) и антисимметричной (|1,0〉-|0,1〉) мод первого и второго вычислительных кубитов, при этом 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».

Разность частот ω₁₀₊₀₁ симметричной (|1,0〉+|0,1〉) и ω_10-01 антисимметричной (|l,0〉-|0,l〉) мод первого и второго вычислительных кубитов, изображенных на фиг. 4, равна удвоенному значению эффективного XX взаимодействия между кубитами 2g_xx, представленному на фиг. 6.

Из фиг. 6 видно, что минимуму эффективной величины XX взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы равное нулю а максимуму взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы равное по абсолютному значению половине кванта магнитного потока При этом XX взаимодействие меняет местами возбуждение между двумя вычислительными кубитами.

Из фиг. 7 видно, что эффективная величина ZZ взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами изменяется при перестройке внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы от нуля до половины кванта магнитного потока при этом минимуму эффективной величины ZZ взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы равное нулю Наличие ZZ взаимодействия приводит к дополнительному набегу фазы на одном из двух вычислительных кубитов, в зависимости от состояния другого вычислительного кубита.

Как видно из фиг. 6 и фиг. 7 предлагаемая сверхпроводниковая многокубитная схема связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью допускает два способа активации механизма взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами:

- первый способ заключается в быстром выставлении внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы равного 0.5Φ₀, где Φ₀ - квант магнитного потока, в результате чего частота связующего кубита примет наименьшее значение, на заданное время, и после этого быстром возврате нулевого значения внешнего магнитного потока в результате чего частота связующего кубита примет наибольшее значение, при этом для быстрого выставления внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы используется гальванически связанная линия контроля магнитного пока в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы. В течение заданного времени произойдет обмен возбуждениями между вычислительными кубитами, а также произойдет дополнительный набег фазы на одном из двух вычислительных кубитов, в зависимости от состояния другого вычислительного кубита;

- второй способ заключается в модуляции частоты связующего кубита на частоте равной разности частот первого и второго вычислительного кубита, помещенных в их рабочие точки, при этом также используется гальванически связанная линия контроля магнитного пока в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы.

В качестве примера возможного способа масштабирования на фиг. 8 представлена одномерной структуры вычислительных кубитов «Qubit i», реализованных на базе двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности, связанных посредством перестраиваемых элементов связи «Coupler i», также реализованных на базе двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности. В предложенной одномерной структуре первый электрод каждой двухэлектродной системы, кроме первой, емкостно связан с соседом слева, а второй электрод каждой двухэлектродной системы, кроме последней, связан с соседом справа, также первая двухэлектродная система в цепочке связана со вторым электродом емкостно с первым электродом второй двухэлектродной системы в цепочке, а последняя двухэлектродная система в цепочке связана первым электродом емкостно со вторым электродом предпоследней двухэлектродной системы в цепочке, при этом нелинейные моды нечетных двухэлектродных систем цепочки выполняют роль перестраиваемых по частоте вычислительных кубитов, а четные двухэлектродные системы цепочки выполняют роль связующих систем.

Таким образом достигается заявляемый технический результат, а именно, возможность реализации перестраиваемой величины взаимодействия между вычислительными кубитами, обладающими частотой основного перехода ниже 1 ГГц, без необходимости использования гетеродинной схемы для формирования возбуждающих кубиты микроволновых импульсных сигналов.

Такое техническое решение улучшает когерентные свойства кубита, упрощает процедуры контроля состояниями вычислительных кубитов и управление величиной взаимодействия между вычислительными кубитами.

1. Сверхпроводниковая многокубитная схема связи на основе кубитов с высокой кинетической индуктивностью, включающая в себя два вычислительных кубита и перестраиваемый связующий кубит, который активирует взаимодействие между двумя вычислительными кубитами, и который связан с двумя вычислительными кубитами при помощи двух электродов, отличающаяся тем, что она содержит две двухэлектродные системы на основе кинетической индуктивности и одну связующую двухэлектродную систему на основе кинетической индуктивности, каждая из которых имеет линейную моду, не перестраиваемую по частоте, и нелинейную моду, перестраиваемую по частоте, причем линейные моды первой, второй и связующей двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности имеют гамильтониан, эквивалентный гамильтониану гармонического осциллятора, а нелинейные моды первой, второй и связующей двухэлектродных систем 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 двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, расположенная между первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности, линейная мода которой выполняет роль неперестраиваемого элемента связи между первым и вторым вычислительными кубитами, причем первый электрод связующей двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности емкостно связан с одним из электродов первой двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, а второй электрод связующей двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности емкостно связан с одним из электродов второй двухэлектродной системы на основе кинетической индуктивности, таким образом, что емкостные связи с первой и второй двухэлектродными системами на основе кинетической индуктивности симметричны.

2. Сверхпроводниковая многокубитная схема связи по п. 1, отличающаяся тем, что первая, вторая и связующая 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.

3. Сверхпроводниковая многокубитная схема связи по п. 2, отличающаяся тем, что в замкнутый контур первой, второй и связующей двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности между вторыми электродами первого и второго кинетических индукторов гальванически встроены линии контроля магнитного потока.

4. Сверхпроводниковая многокубитная схема связи по п. 3, отличающаяся тем, что частоты первого и второго вычислительных и перестраиваемого связующего кубитов 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, второй и связующей двухэлектродных систем на основе кинетической индуктивности, при этом разность частот первого и второго вычислительных кубитов в точке вырождения магнитного потока меньше, чем ангар-монизм каждого из кубитов.

5. Сверхпроводниковая многокубитная схема связи 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 частоты первого и второго вычислительных кубитов, помещенных в свои рабочие точки, меньше, чем частота перестраиваемого связующего кубита, помещенного в его точку вырождения магнитного потока.

6. Сверхпроводниковая многокубитная схема связи по п. 5, отличающаяся тем, что первый и второй вычислительные кубиты, помещенные в свои рабочие точки, постоянно связаны посредством линейной моды связующей двухэлектродной системы.

7. Сверхпроводниковая многокубитная схема связи по п. 6, отличающаяся тем, что минимуму взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока в замкнутом контуре связующей двухэлектродной системы, равное нулю, а максимуму взаимодействия между первым и вторым вычислительными кубитами соответствует значение внешнего магнитного потока, равное по абсолютному значению половине кванта магнитного потока.

8. Сверхпроводниковая многокубитная схема связи по п. 7, отличающаяся тем, что взаимодействие между первым и вторым вычислительными кубитами меняет местами возбуждение между двумя вычислительными кубитами и индуцирует дополнительный набег фазы на одном из двух вычислительных кубитов.