通量量子比特

在量子计算中，更具体地说，在超导量子计算中，通量量子比特（也被称为持续电流量子比特）是微米大小的超导金属环，被一些约瑟夫森结打断。这些设备作为量子比特发挥作用。通量量子比特是由TerryP.Orlando等人于1999年在麻省理工学院首次提出的，并在此后不久制作完成。在制造过程中，约瑟夫森结的参数被设计成当外部磁通量被施加时，一个持续的电流将持续流动。只允许整数的磁通量穿透超导环，从而在环中产生顺时针或逆时针的中观超电流（通常为300毫安），以补偿（屏蔽或增强）非整数的外部磁通偏压。当通过环路区域的应用磁通量接近半整数的磁通量子时，环路的两个最低能量特征态将是顺时针和逆时针电流的量子叠加。这两个最低能量特征态的区别仅在于组成电流方向状态的相对量子相位。更高能量的特征态对应于更大的（宏观的）持久性电流，它给量子比特环路带来了额外的通量，因此在能量上与最低的两个特征态完全分离。这种分离，被称为量子比特非线性标准，只允许对两个最低的特征态进行操作，有效地创建了一个两级系统。通常情况下，两个最低的特征态将作为逻辑量子比特的计算基础。计算操作是通过用微波频率辐射脉冲来进行的，微波频率辐射的能量与两个基态的能量之间的差距相当，类似于RF-SQUID。适当选择的脉冲持续时间和强度可以使量子比特进入两个基态的量子叠加，而随后的脉冲可以操纵量子比特在两个基态中任何一个被测量的概率权重，从而进行计算操作。

通量量子比特使用类似于微电子技术的技术进行制造。这些器件通常是在硅或蓝宝石晶圆上使用电子束光刻和金属薄膜蒸发工艺制造的。为了创造约瑟夫森结，通常使用一种被称为影子蒸发的技术；这涉及到通过电子束光刻技术中定义的掩模，以两个角度交替蒸发源金属。这导致了两层重叠的超导金属，其间沉积了一层薄薄的绝缘体（通常是氧化铝）。谢尔巴科娃博士的研究小组报告说，他们使用铌作为通量量子比特的触点。铌经常被用作触点，并通过采用溅射技术和使用光学光刻技术对触点进行图案化沉积。然后可以使用氩气束来减少在触点顶部形成的氧化层。在蚀刻过程中，样品必须被冷却，以保持铌触点不被熔化。

在这一点上，铝层可以沉积在干净的铌表面之上。然后，铝从交替的角度分两步沉积在铌触点上。在两个铝层之间形成一个氧化层，以创造出Al/AlOx/AlJosephson结。在标准磁通量子比特中，3或4个约瑟夫森结将在环路周围形成图案。可以通过类似的技术制造谐振器来测量通量量子比特的读出。共振器可以通过电子束光刻和CF4活性离子蚀刻铌或类似金属的薄膜来制造。然后，可以通过在谐振器的末端制造通量量子比特，将谐振器与通量量子比特耦合起来。

通量量子比特与其他已知类型的超导量子比特（如电荷量子比特或相位量子比特）的区别在于其结点的耦合能和充电能。在电荷量子比特体系中，结点的充电能主导着耦合能。在通量量子比特中，情况正好相反，耦合能占主导地位。通常情况下，对于一个通量量子比特来说，耦合能比充电能大10-100倍，这使得库珀对能够连续地在环路上流动，而不是像电荷量子比特那样离散地穿过结点。

为了使超导电路能够作为一个量子比特发挥作用，需要有一个非线性元素。如果电路有一个谐波振荡器，例如在LC电路中，能量水平是退化的。这就禁止了双量子比特计算空间的形成，因为任何应用于操纵基态和xxx激发态以执行量子比特操作的微波辐射也会激发更高能量的状态。约瑟夫森结