总线制8量子比特超导量子计算芯片设计与仿真余玄abc张颖珊abc.PDF

总线制8 量子比特超导量子计算芯片设计与仿真 余玄a,b,c，张颖珊a,b,c，刘其春a,b,c，蔡涵a,b,c，赵昌昊a,b,c， 刘建设a,b,c，陈炜a,b,c （清华大学a.清华信息科学技术国家实验室； b.微电子与纳电子学系； c.微电子学研究所，北京100084） 摘要：为了完成 Shor 算法这类量子计算，需要更多的量子比特参与，同时需要延长量子比 特的退相干时间，实现对量子比特更精准的调控。基于对以上要求的综合考虑，Xmon 量子 比特是一种目前最优的选择。设计了一个以Xmon 为计算单元的总线制的8 量子比特超导计 算芯片，可以实现任意两个量子比特之间的耦合操作。首先根据实验基础设计量子比特与共 面波导谐振腔的工作频率、量子比特的非谐性和谐振腔的品质因子。用 Matlab 软件仿真量 子比特的能级，得到约瑟夫森能与电容充电能。其中约瑟夫森能的大小由约瑟夫森结的氧化 时间长短控制，电容充电能则主要由Xmon 的十字电容决定。由以上参数能够计算出量子比 特与谐振腔的耦合强度与耦合电容，谐振腔的物理长度可以根据耦合电容的物理尺寸进行调 节。然后根据不同的衬底工艺使用不同线宽以满足输入阻抗匹配的要求。使用Ledit 绘图软 件将以上物理尺寸表现在版图上。取出谐振腔的部分用HFSS 软件仿真并调节其频率及品质 因子，达到设计要求。量子比特的工作频率在测试时通过输入电流来调控。通过绘图与仿真， 完成了一个可用于实验室加工制造并测试的总线制超导量子计算芯片版图。在此基础上，还 设计了一种可以降低管脚数量的控制复用方案，为最终实现量子计算打下了一定基础。 关键词：超导量子计算芯片；量子比特；量子总线；共面波导谐振腔；版图 中图分类号：O471.1 文献标识码：A 文章编号：1671-4776(2016)12-0781-06 Design and Simulation of a Bus Mode 8 Qubit Superconducting Quantum Computing Chip Yu Xuana,b,c, Zhang Yingshana,b,c, Liu Qichuna,b,c, Cai Hana,b,c, Zhao Changhaoa,b,c, Liu Jianshea,b,c, Chen Weia,b,c (a.Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology; b.Department of Microelectronics and Nanoelectronics; c.Research Institute of Microelectronics, Tsinghua University,Beijing 100084, China ） Abstract:Vast qubits with longer decoherence time and more precise control are needed in order to implement Shors algorithm. Considering all these requirements together, Xmon qubit is the optimal choice at present. A bus mode 8 qubit superconducting computing chip using Xmon as the computing cell was designed, which allows coupling operatioin being applied between any two of them. Firstly, the working frequency of qubit and coplanar waveguide resonator, the anharmonicity of qubit and the quality factor of resonator were designed from past experiment expe rience. The energy of qubit was simulated by Matlab software, and the Josephson energy and capacitor charging energy were obtained. The Josephson energy altered