用于量子计算应用的交错的低温冷却系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求申请日为2020年4月15日的序号为63/010,339的美国临时专利申请的申请权益,其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
3.本公开总体上涉及低温冷却系统,更特别地,涉及用于量子计算系统的低温恒温器系统。
背景技术:4.量子计算是一种利用量子效应(诸如基态的叠加和纠缠)以比经典数字计算机更高效地执行某些计算的计算方法。与以位的形式(例如,“1”或“0”)存储和操纵信息的数字计算机相比,量子计算系统可以使用量子位(“qubit”)来操纵信息。量子位可以指使得能够叠加多个状态(例如,处于“0”和“1”两个状态的数据)的量子设备和/或叠加处于多个状态的数据本身。根据传统术语,量子系统中“0”状态和“1”状态的叠加可以被表示为例如a|0》+b|1》。数字计算机的“0”状态和“1”状态分别类似于量子位的|0》基态和|1》基态。
技术实现要素:5.本公开的实施例的方面和优点将在以下描述中部分地阐述,或者可以从描述中获知,或者可以通过实施例的实践获知。
6.本公开的一个示例方面针对一种量子计算系统。该量子计算系统可以包括一个或多个经典处理器。量子计算系统可以包括一个或多个包含一个或多个量子位的量子系统。量子计算系统可以包括将一个或多个经典处理器耦合到一个或多个量子系统的一条或多条信号线。量子计算系统可以包括被配置为将一个或多个量子系统冷却到小于大约1开尔文的温度的低温冷却系统。低温冷却系统可以包括多个低温冷却级。多个低温冷却级中的每个低温冷却级可以包括多个交错的冷却单元。多个交错的冷却单元可以包括第一冷却单元和第二冷却单元。多个交错的冷却单元中的每个可以具有相关联的工作温度范围。一条或多条信号线可以穿过多个低温冷却级中的每个低温冷却级的多个交错的冷却单元中的每个。
7.本公开的另一示例方面针对一种低温冷却系统。该低温冷却系统可以包括多个低温冷却级。多个低温冷却级中的每个低温冷却级可以包括多个交错的冷却单元。多个交错的冷却单元可以包括第一冷却单元和第二冷却单元。多个交错的冷却单元中的每个可以具有相关联的工作温度范围。一条或多条信号线可以穿过多个低温冷却级中的每个低温冷却级的多个交错的冷却单元中的每个。
8.本公开的其他方面针对各种系统、方法、装置、非暂时性计算机可读介质、计算机可读指令和计算设备。
9.参考以下描述和所附权利要求,将更好地理解本公开的各种实施例的这些和其他
特征、方面和优点。并入本说明书并构成其一部分的附图示出了本公开的示例实施例,并与描述一起解释了相关原理。
附图说明
10.针对本领域普通技术人员的实施例的详细讨论在参考附图的说明书中阐述,在附图中:
11.图1描绘了根据本公开的示例实施例的示例量子计算系统;
12.图2描绘了根据本公开的示例实施例的示例量子计算系统;
13.图3描绘了根据本公开的示例实施例的具有包括多个低温冷却级的低温冷却系统的示例量子计算系统;
14.图4描绘了根据本公开的示例实施例的具有含有第一冷却组件和第二冷却组件的低温冷却系统的示例量子计算系统;
15.图5描绘了根据本公开的示例实施例的具有包括多个低温冷却级的低温冷却系统的示例量子计算系统;
16.图6a描绘了根据本公开的示例实施例的示例真空罐;
17.图6b描绘了根据本公开的示例实施例的示例真空罐;以及
18.图7描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法的流程图。
具体实施方式
19.本公开的示例方面针对可以例如在量子计算应用中采用的(多个)低温冷却系统(例如,(多个)低温恒温器)。例如,(多个)低温冷却系统可以被配置为冷却具有可操作来处理和/或执行量子计算的多个量子位的一个或多个量子系统。
20.许多量子计算应用采用超导量子位,该超导量子位在大概绝对零度或大约0开尔文左右的温度下实现超导性或零电阻。与量子计算相关联的挑战包括将具有超导量子位的量子硬件冷却到超导量子位实现超导性的温度。例如,在一些情况下,超导量子位必须被冷却到小于大约0.1开尔文(k),诸如小于大约0.01开尔文或10毫开尔文(mk)。量子计算系统可以采用低温冷却系统(诸如稀释制冷器)来冷却超导量子位和/或其他量子硬件。低温冷却系统可以形成在从大约100k到大约10mk的数量级的温度范围内具有后续渐进温度级的“真空罐”。
21.量子计算中的一个挑战涉及过冷量子系统(例如,量子位)与经典计算系统(例如,二进制计算系统)之间的通信。量子计算系统可以至少部分地由经典计算系统控制。经典计算系统可以保持与量子计算系统分离,并且可以维持在比量子计算系统更高的温度,诸如例如大约室温。量子计算系统可能需要经典计算系统与量子系统(例如,量子位)之间的快速且稳健的通信,以精确且可靠地实施量子门操作和/或量子状态测量。为了解决这一需要,许多系统在经典计算系统与量子系统之间采用物理信号线,诸如导线。然后,这些物理信号线必须连接到量子系统,从而形成经典计算系统与量子系统之间的导热体。物理信号线可能降低被配置为使量子系统冷却的低温冷却系统的效率。
22.例如,在分级的低温冷却系统中,信号线可能有必要桥接每个渐进低温级。这可能导致(例如,在每个低温级处)需要附加的冷却功率来减轻信号线的热传导效应。在即使一
条信号线也可能影响低温冷却系统的性能时,随着量子硬件复杂性的不断增长,这个问题可能变得更加严重。例如,所需信号线的数量至少可以随着量子系统中量子位的数量线性地增长,如果不大于线性地增长的话。例如,在一些情况下,对于每个量子位可能需要四条信号线,即使一些或所有信号线是复用的。
23.此外,许多量子计算应用可能需要低温冷却系统在低温冷却系统的每一级处可能的工作温度范围的接近最小或最小的温度下工作,以避免低温冷却系统的热过载和/或实现足够低以用于量子计算的温度。结果,低温冷却系统可能无法在量子计算应用所需的接近最小或最小的温度下实现最大可能冷却功率。
24.作为一个示例,在大约10mk下工作的混合器级可以实现大约1微瓦的冷却功率,而在不同的(例如,更高的)温度下,混合器级的理论最大冷却功率可以在大约100微瓦的数量级。作为另一示例,在大约2.9k下工作的示例脉管(pulse tube)级可以实现大约100毫瓦的冷却功率,而如果脉管级在大约4.2k下工作,则可以实现大约1.5瓦的冷却功率。因此,除了与信号线相关联的降低的效率之外,低温冷却系统可能另外遭受关于工作温度的效率损失。
25.如本文所使用的,“冷却功率”(也称为“冷却能力”)是指对冷却系统(诸如冷却单元和/或其集合)从被冷却的系统中移除热量的能力的度量。冷却功率为1w的冷却系统能够从被冷却的系统中移除1w的功率。被冷却的系统可以是例如位于冷却系统的冷却室中的系统,诸如量子计算系统。
26.根据本公开的示例方面,低温冷却系统可以包括具有相关联的工作温度范围的多个低温冷却级。多个低温冷却级中的每个低温冷却级可以包括多个交错的冷却单元。多个交错的冷却单元可以包括第一冷却单元和第二冷却单元。例如,第一冷却单元可以在(例如,工作温度范围内的)第一工作温度下工作,使得第一冷却单元实现接近最大和/或最大的可能冷却功率,并且第二冷却单元可以在(例如,工作温度范围内的)小于第一工作温度的第二工作温度下工作,诸如在工作温度范围内的大约最小或接近最小的可能温度下工作。
27.交错的冷却单元可以是交错的和/或交织的,使得冷却单元以交替的层或以交替的方式布置。例如,低温冷却系统可以限定多层,其中每一层对应于冷却系统的冷却单元之一。低温系统的每个冷却级可以包括与第一冷却系统相关联的第一冷却单元和与第二冷却系统相关联的第二冷却单元。低温系统中的冷却系统的层可以被布置成使得与第一冷却系统相关联的冷却单元和与第二冷却系统相关联的冷却单元以交替的方式布置以经过低温冷却系统的多个冷却级中的一个或多个冷却级。出于说明的目的,用两个交错的冷却单元(例如,第一冷却单元和第二冷却单元)来讨论本公开的示例方面。本领域普通技术人员将会理解,在多个交错的冷却单元中可以包括任何合适数量的交错的冷却单元。例如,一些或所有低温冷却级可以包括三个交错的冷却单元、四个交错的冷却单元或任何其他数量的交错的冷却单元。此外,多个交错的冷却单元中的每个可以被配置为在低温冷却级的工作温度范围内的不同工作温度下工作。
28.本公开的各方面可以提供许多技术效果和益处。例如,本公开的各方面可以提供低温冷却系统的改进的冷却效率。作为一个示例,一些实施例可以提供从大约10倍到大约100倍的冷却效率的增加,同时仅需要大约两倍的低温资源。这样,本公开的各方面可以提
供低温冷却系统关于日益增加的热负荷的改进的可扩展性。例如,这可能有益于匹配日益复杂的量子计算系统。作为一个示例,根据本公开的示例方面的系统和方法可以每单位低温资源(例如,每个稀释制冷器)冷却更大数量的量子位。附加地和/或替代地,根据本公开的示例方面的系统和方法可以需要更少量的低温资源来冷却一定数量的量子位。在许多信号线穿过多个低温冷却级中的每个低温冷却级的情况下,尤其是大量信号线(例如,与大于10个量子位相关联的许多信号线)的情况下,本文描述的系统和方法可能是特别有益的。
29.如本文所使用的,与所述数值结合使用的术语“大约”或“大概”意思是指所述数值的10%以内。如本文所使用的,“接近最大值”是指在最大值的10%以内。如本文所使用的,“接近最小值”是指最小值的10%以内。
30.现在参考附图,将更详细地讨论本公开的示例实施例。
31.图1描绘了示例量子计算系统100。示例系统100是被实施为一个或多个位置中的一个或多个经典计算机或量子计算设备上的经典或量子计算机程序的系统的示例,其中可以实施下面描述的系统、组件和技术。图1描绘了可以用于实施本公开的各方面的示例量子计算系统。使用本文提供的公开内容,本领域普通技术人员将理解,在不偏离本公开的范围的情况下可以使用其他量子计算结构或系统。
32.系统100包括与一个或多个经典处理器104进行数据通信的量子硬件102。例如,量子硬件102可以使用量子位来表示和/或操纵信息。量子位可以是或者包括使得能够叠加多个状态(例如,处于“0”状态和“1”状态的数据)的任何合适的量子设备。作为一个示例,量子位可以是或者包括超导材料(诸如在低于大约10mk的温度下实现超导性的超导材料)单元。
33.量子硬件102可以包括用于执行量子计算的组件。例如,量子硬件102可以包括量子系统110、(多个)控制设备112和(多个)读出设备114(例如,(多个)读出谐振器)。量子系统110可以包括一个或多个多级量子子系统,诸如量子位寄存器。在一些实施方式中,多级量子子系统可以包括超导量子位,诸如通量量子位、电荷量子位、transmon量子位、gmon量子位等。
34.(多个)经典处理器104可以是二进制处理器,诸如对被表示为多个位的数据进行操作的处理器。作为一个示例,位可以由参考点(诸如存储器单元、电路节点等)处的低电压(例如,0v)与高电压(例如,5v)之间的电压差分来表示。低电压可以与“0”状态相关联,并且高电压可以与“1”状态相关联。除了(多个)经典处理器104的任何其他合适的(多个)功能之外,(多个)经典处理器104可以被配置为控制量子硬件102。例如,(多个)经典处理器104可以(例如,通过信号线)耦合到量子硬件102和/或被配置为发送控制信号以使用量子硬件102执行量子操作。作为一个示例,(多个)经典处理器104可以被配置为发送在量子硬件102处实施量子门操作(例如,通过(多个)控制设备112)的控制信号。附加地和/或替代地,(多个)经典处理器104可以被配置为发送使得量子硬件102执行量子状态测量和/或向(多个)经典处理器104提供量子状态测量(例如,通过(多个)读出设备114)的控制信号。例如,(多个)经典处理器104可以接收可以由(多个)经典处理器104解释的量子系统110的测量。
35.系统100所利用的多级量子子系统的类型可以变化。例如,在一些情况下,包括附着到一个或多个超导量子位(例如,transmon、fluxmon、gmon、xmon或其他量子位)的一个或多个读出设备114可能是方便的。
36.量子电路可以被构建并经由耦合到一个或多个控制设备112的多条信号线(例如,
图2的信号线120)应用于量子系统110中包括的量子位寄存器。对量子位寄存器进行操作的示例控制设备112可以用于实施量子逻辑门或量子逻辑门的电路,例如哈达玛(hadamard)门、受控非(cnot)门、受控相位门、t门、多量子位量子门、耦合器量子门等等。一个或多个控制设备112可以被配置为通过一个或多个相应的控制参数(例如,一个或多个物理控制参数)对量子系统110进行操作。例如,在一些实施方式中,多级量子子系统可以是超导量子位,并且控制设备112可以被配置为向控制线(例如,图2的信号线120)提供控制脉冲,以生成磁场来调节量子位的频率。
37.量子硬件102可以进一步包括读出设备114(例如,读出谐振器)。经由测量设备获得的测量结果108可以被提供给经典处理器104用于处理和分析。在一些实施方式中,量子硬件102可以包括量子电路,并且(多个)控制设备112和(多个)读出设备114可以实施通过物理控制参数(例如,微波脉冲)对量子系统110进行操作的一个或多个量子逻辑门,这些物理控制参数通过量子硬件102中包括的导线被发送。控制设备的其他示例包括任意波形发生器,其中dac产生信号。
38.(多个)读出设备114可以被配置为对量子系统110执行量子测量,并且(例如,通过图2的信号线120)将测量结果108发送到经典处理器104。此外,量子硬件102可以被配置为(例如,通过图2的信号线120)从经典处理器104接收指定物理控制参数值106的数据。量子硬件102可以使用接收到的物理控制参数值106来更新(多个)控制设备112和(多个)读出设备114在量子系统110上的动作。例如,量子硬件102可以接收指定表示控制设备112中包括的一个或多个dac的电压强度的新值的数据,并且可以相应地更新dac在量子系统110上的动作。经典处理器104可以被配置为(例如,通过向量子硬件102发送指定初始参数集106的数据)将量子系统110初始化在初始量子状态。
39.(多个)读出设备114可以利用量子系统的元件(诸如量子位)的|0》状态和|1》状态的阻抗差来测量该元件(例如,量子位)的状态。例如,由于量子位的非线性,当量子位处于状态|0》或状态|1》时,读出谐振器的谐振频率可以呈现不同的值。因此,从读出设备114反射的微波脉冲携带取决于量子位状态的振幅和相移。在一些实施方式中,铂赛尔(purcell)滤波器可以与(多个)读出设备114结合使用,以阻止在量子位频率下的微波传播。
40.系统100包括(多个)控制设备112。(多个)控制设备112可以操作量子硬件102。例如,根据本公开的示例方面,(多个)控制设备112可以包括被配置为生成控制脉冲的波形发生器。
41.在一些实施方式中,(多个)控制设备112可以包括数据处理装置和相关联的存储器。存储器可以包括具有指令的计算机程序,当该指令被数据处理装置执行时,使得数据处理装置执行本文描述的一个或多个功能,诸如向量子位134/136和/或可调耦合器138施加控制信号。
42.图2描绘了根据本公开的示例实施例的示例量子计算系统100。如图2所示,量子硬件102(诸如但不限于量子系统110、(多个)控制设备112、(多个)读出设备114和/或关于图1讨论的量子硬件102的任何其他合适的组件)可以位于低温冷却系统130内。附加地和/或替代地,(多个)经典处理器104可以位于低温冷却系统130之外。例如,低温冷却系统130可以被配置为冷却量子硬件102。附加地和/或替代地,(多个)经典处理器104不被低温冷却系统130冷却。例如,(多个)经典处理器104可以在室温左右(例如,300开尔文左右)的温度和/或
大约100开尔文左右的温度下工作,而量子硬件102可以在绝对零度左右(例如,小于大约1开尔文)的温度下工作,这因此可能需要通过低温冷却系统130进行冷却以有效地工作。
43.量子计算系统100可以包括(多条)信号线120。(多条)信号线120可以将(多个)经典处理器104耦合到量子硬件102。例如,由于(多个)经典处理器104和量子硬件102可以进行信号通信,诸如以除了任何其他合适的信号之外还传输图1的(多个)参数106和/或(多个)测量结果108,因此(多个)经典处理器104可以通过信号线120耦合到量子硬件102。例如,信号线120可以是或者可以包括被配置为耦合量子硬件102和(多个)经典处理器104的任何合适的(多个)物理通信耦合(例如,一条或多条导线)。通常,信号线120包括用以允许量子硬件102与(多个)经典处理器104之间的更快和/或更稳健的通信的物理连接。如图2所示,信号线120可以至少部分地位于低温冷却系统130中,以提供到量子硬件102的耦合。
44.图3描绘了根据本公开的示例实施例的示例量子计算系统300。量子计算系统300可以包括低温冷却系统130。低温冷却系统130可以被配置为冷却量子硬件102。例如,低温冷却系统130可以将量子硬件102冷却到低于大约1开尔文的温度。作为一个示例,低温冷却系统可以将量子硬件102冷却到量子硬件102(例如,量子系统110)实现超导性的温度,诸如低于大约10mk的温度。
45.如图3所示,低温冷却系统130可以包括多个低温冷却级305。低温冷却级305可以包括例如第一级310、第二级320、第三级330、第四级340、第五级350和/或第六级360。多个低温冷却级305中的每个低温冷却级可以包括多个交错的冷却单元。例如,多个交错的冷却单元中的每个可以包括第一冷却单元(例如,311、321、331、341、351、361)和第二冷却单元(例如,312、322、332、342、352、362)。
46.多个交错的冷却单元可以是可独立工作的,使得一些或所有第一冷却单元(例如,311、321、331、341、351、361)独立于一些或所有第二冷却单元(例如,312、322、332、342、352、362)工作。例如,一些或所有(多个)冷却单元(例如,第一冷却单元和/或第二冷却单元)可以具有限定多个可能的工作温度的工作温度范围,包括最大工作温度和/或最小工作温度。例如,冷却单元的工作参数(诸如例如经过冷却单元的冷却剂流量)可以被修改,使得冷却单元在工作温度范围内的多个可能的工作温度之一下工作。通常,冷却单元可以具有至少部分地基于工作温度的有效冷却功率。例如,冷却单元可以在工作温度范围内的第一温度下以比在工作温度范围内的第二温度下更高的有效冷却功率工作。此外,在一些情况下,冷却单元可以具有与工作温度范围内的特定工作温度或工作温度子集相关联的最大冷却功率。对于给定的冷却单元,冷却功率可以随着工作温度而变化,并且可以定义一个或多个局部最优值(例如,局部最大值),包括绝对最大值。
47.根据本公开的示例方面,第一冷却单元(例如,311、321、331、341、351、361)中的每一个可以在(例如,工作温度范围内的)第一工作温度下工作,使得第一冷却单元比第二冷却单元实现更大量的冷却功率。例如,第一冷却单元可以实现接近最大和/或最大的可能冷却功率。附加地和/或替代地,第二冷却单元(例如,312、322、332、342、352、362)中的每一个可以在(例如,工作温度范围内的)第二工作温度下工作,第二工作温度可以是较低工作温度。例如,较低工作温度可以小于(例如,低于)第一工作温度,诸如工作温度范围内的大约最小或接近最小的可能温度。
48.在一个示例中,低温冷却系统130可以包括第一级310。第一级310可以包括例如第
一冷却单元311和/或第二冷却单元312。第一冷却单元311可以与第二冷却单元312交错。第一级310可以与大约40开尔文到大约60开尔文范围内的工作温度相关联。例如,在一些实施例中,第一冷却单元311可以被配置为在大约60开尔文下工作。附加地和/或替代地,在一些实施例中,第二冷却单元312可以被配置为在大约40开尔文下工作。例如,在一些实施例中,第一级310可以是第一级脉管。第一级脉管可以与大约40开尔文到大约60开尔文范围内的工作温度(诸如大约50开尔文)相关联。在一些实施例中,在第一级310之前可以包括第一中间钳位(未示出)。例如,第一中间钳位可以与大约150开尔文的工作温度相关联。
49.附加地和/或替代地,低温冷却系统130可以包括第二级320。第二级320可以包括例如第一冷却单元321和/或第二冷却单元322。第一冷却单元321可以与第二冷却单元322交错。第二级320可以与大约10开尔文到大约20开尔文范围内的工作温度相关联。例如,在一些实施例中,第一冷却单元321可以被配置为在大约20开尔文下工作。附加地和/或替代地,在一些实施例中,第二冷却单元322可以被配置为在大约10开尔文下工作。例如,在一些实施例中,第二级320可以是第二中间钳位。第二中间钳位可以与大约10开尔文到大约20开尔文范围内的工作温度(诸如大约15开尔文)相关联。
50.附加地和/或替代地,低温冷却系统130可以包括第三级330。第三级330可以包括例如第一冷却单元331和/或第二冷却单元332。第一冷却单元331可以与第二冷却单元332交错。第三级330可以与大约2.5开尔文到大约4.2开尔文范围内的工作温度相关联。例如,在一些实施例中,第一冷却单元331可以被配置为在大约4.2开尔文下工作。附加地和/或替代地,在一些实施例中,第二冷却单元332可以被配置为在大约2.5开尔文下工作。例如,在一些实施例中,第三级330可以是第二级脉管。第二级脉管可以与大约2.5开尔文到大约4.2开尔文范围内的工作温度(诸如大约3开尔文)相关联。
51.附加地和/或替代地,低温冷却系统130可以包括第四级340。第四级340可以包括例如第一冷却单元341和/或第二冷却单元342。第一冷却单元341可以与第二冷却单元342交错。第四级340可以与大约600毫开尔文到大约800毫开尔文范围内的工作温度相关联。例如,在一些实施例中,第一冷却单元341可以被配置为在大约800毫开尔文下工作。附加地和/或替代地,在一些实施例中,第二冷却单元342可以被配置为在大约600毫开尔文下工作。例如,在一些实施例中,第四级340可以是蒸馏器。蒸馏器可以被配置为蒸发氦,诸如3he。蒸馏器可以与大约600毫开尔文到大约800毫开尔文范围内的工作温度(诸如大约700毫开尔文)相关联。
52.附加地和/或替代地,低温冷却系统130可以包括第五级350。第五级350可以包括例如第一冷却单元351和/或第二冷却单元352。第一冷却单元351可以与第二冷却单元352交错。第五级350可以与大约100毫开尔文到大约300毫开尔文范围内的工作温度相关联。例如,在一些实施例中,第一冷却单元351可以被配置为在大约300毫开尔文下工作。附加地和/或替代地,在一些实施例中,第二冷却单元352可以被配置为在大约100毫开尔文下工作。例如,在一些实施例中,第五级350可以是中间热交换器。中间热交换器可以与大约100毫开尔文到大约300毫开尔文范围内的工作温度(诸如大约150毫开尔文)相关联。
53.附加地和/或替代地,低温冷却系统130可以包括第六级360。第六级360可以包括例如第一冷却单元361和/或第二冷却单元362。第一冷却单元361可以与第二冷却单元362交错。第六级360可以与大约10毫开尔文到大约100毫开尔文范围内的工作温度相关联。例
如,在一些实施例中,第一冷却单元361可以被配置为在大约100毫开尔文下工作。附加地和/或替代地,在一些实施例中,第二冷却单元362可以被配置为在大约10毫开尔文下工作。附加地和/或替代地,在一些实施例中,第二冷却单元362可以在大约10毫开尔文以下(诸如在大约零开尔文下)工作。例如,在一些实施例中,第六级可以是混合室级。混合室级可以与大约10毫开尔文到大约100毫开尔文范围内(诸如小于大约20毫开尔文)的工作温度相关联。
54.在一些实施例中,多个低温冷却级305的每个低温冷却级中的第一冷却单元和第二冷却单元可以是完全相同的和/或几乎完全相同的冷却单元。例如,在一些实施例中,多个低温冷却级305中的一个冷却级的第一冷却单元(例如,311)和相应的第二冷却单元(例如,312)可以在结构上完全相同。例如,第一冷却单元(例如,311)和相应的第二冷却单元(例如,312)可以(例如,通过调节经过每个冷却单元的冷却剂流量)被配置为在不同的温度下工作,但是在其他方面可以是完全相同的。在一些实施例中,第一冷却单元(例如,311)和第二冷却单元(例如,312)不一定完全相同,但是可以共享至少某种程度的相似性。例如,第一冷却单元(例如,311)和相应的第二冷却单元(例如,312)可以分别在相应的低温冷却级(例如,310)内执行相同的功能。
55.第一冷却单元(例如,311)和相应的第二冷却单元(例如,312)可以是相对应的冷却单元。因此,多个低温冷却级305可以包括交错的冷却单元,使得相对应的冷却单元在多个低温冷却级305的顺序的排序中相邻。作为一个示例,低温冷却级305可以基于低温冷却级305的工作温度以顺序的排序来布置。第一冷却单元(例如,311)和相应的第二冷却单元(例如,312)都可以具有由多个低温冷却级中的前一低温冷却级的第一冷却单元和第二冷却单元以及多个低温冷却级305中的后一低温冷却级的第一冷却单元和第二冷却单元的工作温度所界定的工作温度。例如,级330的第一冷却单元331和第二冷却单元332的工作温度可以由级320和级340的第一冷却单元和第二冷却单元的工作温度来界定。
56.(多条)信号线120可以至少部分地位于低温冷却系统130内。例如,(多条)信号线120可以至少部分地位于低温冷却系统130的一些或所有低温冷却级305内。作为一个示例,(多条)信号线120可以穿过多个低温冷却级305中的每个低温冷却级的多个交错的冷却单元中的每个。(多条)信号线120因此可以在(多个)经典处理器104与量子硬件102之间形成热耦合。本公开的各方面可能有益于减少(多条)信号线120的热影响。
57.因此,量子计算的温度要求可以通过低温冷却系统130来实现。另外,低温冷却系统130可以比现有的低温冷却系统具有改进的效率。值得注意的是,尽管与现有系统相比,本公开的系统和方法可能需要大约两倍的低温资源,但是本公开的示例系统和方法可以出乎意料地实现至少10倍于现有系统能力的冷却能力增加。在一些实施例中,这些冷却能力增加可以是现有系统能力的大约100倍。
58.在一些实施例中,量子计算系统300(例如,低温冷却系统130)可以包括真空罐(vacuum canister)380。例如,在一些实施例中,多个低温冷却级305中的每个冷却低温级和/或量子硬件102可以位于单个(例如,同一)真空罐380中。真空罐380可以包括多个有序的隔板(未示出)。例如,多个隔板中的每个隔板可以被配置为容纳一个或多个低温冷却级305,诸如第一冷却单元(例如,311)和第二冷却单元(例如,312)。例如,关于低温冷却级(例如,310)的第一冷却单元(例如,311)和相应的第二冷却单元(例如,312)可以位于多个隔板
中的同一隔板上。在一些实施例中,第一冷却单元(例如,311)可以位于第一隔板上,并且相应的第二冷却单元(例如,312)可以位于与第一隔板相邻的第二隔板上。真空罐380可以位于真空中和/或以其他方式为多个低温冷却级305和/或量子硬件102限定真空。例如,可以在真空罐380周围形成气密密封,并且可以从真空罐380中清除真空罐380中的任何空气。
59.图4描绘了根据本公开的示例实施例的示例量子计算系统400。如图4所示,量子计算系统400可以包括具有第一冷却组件410和第二冷却组件420的低温冷却系统130。第一冷却组件410和第二冷却组件420可以是交错的,使得第一冷却组件410和第二冷却组件420包括具有交错的冷却单元的多个低温冷却级。例如,第一冷却组件410和第二冷却组件420可以限定多个低温冷却级(例如,图3的305)。多个低温冷却级中的每个低温冷却级可以包括多个交错的冷却单元(例如,图3的311、312)。例如,多个交错的冷却单元可以包括来自第一冷却组件410的第一冷却单元和来自第二冷却组件420的第二冷却单元。多个交错的冷却单元可以是可独立工作的,使得第一冷却组件410(例如,第一冷却单元)独立于第二冷却组件420(例如,第二冷却组件)工作。作为一个示例,第一冷却组件410和/或第二冷却组件420可以各自是可独立工作的稀释制冷器系统。
60.作为一个示例,第一冷却单元和第二冷却单元可以是单独地工作但交错的低温冷却组件410、420(例如,稀释制冷器)的相对应的级,这些低温冷却组件在一些或所有级(例如,图3的级310、320、330、340、350、360)处具有不同配置的工作温度。例如,在一些实施例中,多个低温冷却级中的每个低温冷却级的第一冷却单元可以共同限定第一冷却组件410,和/或多个低温冷却级中的每个低温冷却级的第二冷却单元可以共同限定第二冷却组件420,其中第一冷却组件410和第二冷却组件420可以是可独立工作的。例如,第一冷却组件410和/或第二冷却组件420中的每一个可以是可独立工作的稀释制冷器系统。作为示例,冷却组件410、420中的多个交错的冷却单元中的任何一个的第一冷却单元或第二冷却单元中的至少一个可以包括一个或多个稀释制冷器级。每个冷却组件410、420可以包括多级低温装置,使得冷却组件410、320的每一级可以与低温冷却系统130的一个或多个低温冷却级305相关联。
61.在一些实施例中,单独的冷却剂回路415、425可以与第一冷却组件410(例如,第一冷却单元)和第二冷却组件420(例如,第二冷却单元)相关联。例如,第一冷却剂回路415可以与第一冷却组件410相关联,并且第二冷却剂回路425可以与第二冷却组件420相关联。第一冷却剂回路415和第二冷却剂回路425可以彼此独立,使得例如来自一个回路的冷却剂不会与来自另一回路的冷却剂混合。
62.在一些实施例中,第一冷却剂回路415和/或第二冷却剂回路425中的冷却剂流量的参数可以改变第一冷却组件410和/或第二冷却组件420的工作温度。例如,更大的冷却剂流量(例如,更快的流量和/或更大的体积流量)可能导致降低的工作温度。在第一冷却组件410和/或第二冷却组件420是稀释制冷器系统的情况下,例如,4he和/或4he的第一冷却剂回路415可以被包括在第一冷却组件410中(例如,用于每个第一冷却单元),并且4he和/或4he的第二冷却剂回路425可以被包括在第二冷却组件420中(例如,用于每个第二冷却单元)。
63.第二冷却剂回路425可以是可与第一冷却剂回路415独立工作的。作为一个示例,第一冷却剂回路415中的冷却剂流量可以大于和/或小于第二冷却剂回路425中的冷却剂流
量。作为一个示例,第一冷却剂回路415中的冷却剂流量可以使得第一冷却组件410(例如,每个第一冷却单元)实现最大冷却功率(例如,单个地和/或在一些或所有第一冷却剂单元当中聚集地)。附加地和/或替代地,第二冷却剂回路425中的冷却剂流量可以使得第二冷却组件(例如,每个第二冷却单元)实现工作温度范围内的最低工作温度。
64.在一些实施例中,第一冷却组件410和第二冷却组件420(例如,相对于多个低温冷却级中的一级的第一冷却单元和相应的第二冷却单元)可以在结构上完全相同。例如,第一冷却组件410和第二冷却组件420可以(例如,通过调节第一冷却剂回路415和/或第二冷却剂回路425中的冷却剂流量)被配置为在不同的温度下工作,但是在其他方面可以是完全相同的。在一些实施例中,第一冷却组件410和第二冷却组件420不一定是完全相同的,但是可以共享至少某种程度的相似性。例如,第一冷却单元和相应的第二冷却单元可以分别在第一冷却组件410和第二冷却组件420内执行相同的功能。第一冷却单元和相应的第二冷却单元可以是相对应的冷却单元。
65.低温冷却系统130因此可以包括交错的冷却组件410、420。例如,低温冷却系统130可以限定多层,其中每一层对应于冷却组件(例如,410、420)的冷却单元之一。低温系统的每个冷却级可以包括与第一冷却系统相关联的第一冷却单元和与第二冷却系统相关联的第二冷却单元。低温系统中的冷却系统的层可以被布置成使得与第一冷却组件410相关联的冷却单元和与第二冷却组件420相关联的冷却单元以交替的方式布置以经过低温冷却系统130的多个冷却级中的一个或多个冷却级。作为另一示例,相对应的冷却单元可以在多个低温冷却级的顺序的排序中相邻。作为一个示例,低温冷却级可以基于低温冷却级的工作温度以顺序的排序来布置。第一冷却单元和相应的第二冷却单元都可以具有位于多个低温冷却级中的前一低温冷却级的第一冷却单元和第二冷却单元与多个低温冷却级中的后一低温冷却级的第一冷却单元和第二冷却单元之间的工作温度。
66.图5描绘了根据本公开的示例实施例的示例量子计算系统500。如图5所示,量子计算系统500(例如,低温冷却系统130)可以包括焦耳-汤普森(joule-thompson)冷却级510。附加地和/或替代地,量子计算系统500(例如,低温冷却系统130)可以包括氦液化器级520。
67.例如,在一些实施例中,量子计算系统500(例如,低温冷却系统130)可以包括焦耳-汤普森冷却级510。焦耳-汤普森冷却级510可以具有大约2开尔文的工作温度。例如,焦耳-汤普森冷却级510可以使流体(诸如液体和/或气体或其组合)在恒焓(constant enthalpy)(例如,阀)上膨胀,以冷却流体和/或流体的周围环境。在一些实施例中,焦耳-汤普森冷却级510可以包括根据本公开的示例方面交错的第一焦耳-汤普森冷却单元和第二焦耳-汤普森冷却单元。例如,焦耳-汤普森冷却级可以与(例如,图4的第一冷却组件410和/或第二冷却组件420的)第一冷却单元和/或第二冷却单元共享冷却剂回路(例如,415、425)的至少一部分。附加地和/或替代地,焦耳-汤普森冷却级可以包括不会冷却第一冷却单元和/或第二冷却单元中的任一个或两者的冷却剂回路。
68.在一些实施例中,量子计算系统500(例如,低温冷却系统130)可以包括氦液化器级520。氦液化器级520可以具有大约1开尔文的工作温度。例如,氦液化器级520可以在可与交错级的(多个)冷却剂回路(例如,415、425)分离的闭合冷却剂回路上工作。氦液化器级520可以对氦(例如,3he和/或4he)进行液化(例如,冷凝)和蒸发以提供冷却效应。在一些实施例中,氦液化器级520可以包括根据本公开的示例方面交错的第一氦液化器冷却单元和
第二氦液化器冷却单元。在一些实施例中,氦液化器冷却级可以与(例如,图4的第一冷却组件410和/或第二冷却组件420的)第一冷却单元和/或第二冷却单元共享冷却剂回路(例如,415、425)的至少一部分。附加地和/或替代地,氦液化器冷却级可以包括不会冷却第一冷却单元和/或第二冷却单元中的任一个或两者的冷却剂回路。
69.图6a描绘了根据本公开的示例实施例的示例真空罐600。真空罐600可以包括遮盖602和悬架604。例如,悬架604可以相对于遮盖602移动,以与遮盖602形成气密密封。在一些实施例中,遮盖602可以是固定的(例如,不可移动地定位,诸如在地面上),并且悬架604可以是可移动的以形成气密密封。在一些实施例中,悬架604可以是固定的,并且遮盖602可以是可移动的以形成气密密封。在一些实施例中,遮盖602和悬架604都可以是可移动的以形成气密密封。
70.真空罐600可以被配置为容纳低温冷却系统(未示出)。例如,真空罐600可以被配置为容纳任何合适的量子计算系统,诸如图1-图5所描绘的量子计算系统100、300、400、500中的任何一个。作为一个示例并且参考图3,真空罐600可以被用作真空罐380。例如,在一些实施例中,多个低温冷却级305中的每个低温冷却级和/或量子硬件102可以位于真空罐600中。
71.真空罐600可以包括信号线腔606。例如,信号线腔606可以被配置为容纳信号线120(图1-图5)。作为一个示例,信号线腔606可以从真空罐600的外部(例如,从图1的(多个)经典处理器104)延伸到低温恒温器室620。低温恒温器室620可以通过真空罐600所容纳的低温冷却系统而维持在小于大约1开尔文(例如,小于大约10mk)的温度。例如,量子硬件(例如,图1的量子硬件102)可以被容纳在低温恒温器室620中。
72.真空罐600可以包括多个有序的隔板608。例如,多个隔板中的每个隔板可以被配置为容纳一个或多个低温冷却级305,诸如第一冷却单元(例如,图3的311)和第二冷却单元(例如,图3的312)。例如,关于低温冷却级(例如,图3的310)的第一冷却单元(例如,图3的311)和相应的第二冷却单元(例如,图3的312)可以位于多个隔板中的同一隔板上。因此,悬架604可以用遮盖602为多个低温冷却级305和/或量子硬件102限定真空。例如,气密密封可以由真空罐600形成,并且真空罐600中(例如,在遮盖602与悬架604之间)的任何空气可以从真空罐600中清除。
73.在一些实施例中,一个或多个热辐射屏蔽610可以位于真空罐600的附近和/或内部。例如,(多个)热辐射屏蔽610可以被配置为阻挡来自真空罐600外部和/或来自真空罐600内部的热辐射,诸如来自真空罐600内部的组件和/或包括真空罐600的组件(诸如例如遮盖602、隔板608和真空罐600内部的任何冷却单元)的黑体辐射。例如,热辐射屏蔽610可以位于低温冷却级之间(例如,隔板608之间),以阻挡来自前一级的热辐射。在一些实施例中,热辐射屏蔽610也可以充当隔板608。
74.图6b描绘了根据本公开的示例实施例的真空罐650。真空罐650可以包括关于图6a讨论的组件,诸如例如遮盖602、悬架604、信号线腔606、低温恒温器室620和屏蔽610(未示出)。真空罐650可以包括偏移隔板652和654。例如,在一些实施例中,第一冷却单元(例如,311)可以位于第一偏移隔板652上,并且相应的第二冷却单元(例如,312)可以位于相对于第一偏移隔板652偏移的相应的第二偏移隔板654上。以这种方式,低温系统的多个冷却级的第一冷却单元和第二冷却单元可以根据本公开的示例方面交错。
75.图7描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法700的流程图。方法700可以使用任何合适的量子计算系统来实施,诸如图1-图5所描绘的量子计算系统100、300、400、500中的任何一个。出于说明和讨论的目的,图7描绘了以特定次序执行的步骤。使用本文提供的公开内容,本领域普通技术人员将理解,在不偏离本公开的范围的情况下本文公开的任何方法的各种步骤可以被改写、修改、同时执行、省略、包括未示出的步骤、重新布置和/或以各种方式扩展。
76.方法700可以包括,在702,向一条或多条信号线传输控制脉冲。例如,控制脉冲可以由耦合到(多条)信号线的一个或多个经典处理器传输。控制脉冲可以是或者可以包括经典(例如,二进制)计算机可读信号数据,诸如电压信号和/或可由量子计算设备实施的信号。
77.方法700可以包括,在704,向一个或多个量子计算设备传输控制脉冲。例如,控制脉冲可以通过(多条)信号线被传输到(多个)量子计算设备。控制脉冲可以通过(多条)信号线传输经过多个低温冷却级。例如,携带控制脉冲的(多条)信号线可以从(多个)经典处理器(例如,在室温和/或大约100开尔文数量级上的温度下)到(多个)量子计算设备(例如,在小于大约1开尔文的温度(诸如大约10mk)下)以及经过多个低温冷却级而渐进地降低温度。
78.方法700可以包括,在706,施加控制脉冲以至少部分地基于该控制脉冲来实施至少一个量子操作。作为一个示例,在一些实施例中,(多个)量子操作可以是或者可以包括获得(多个)量子计算设备的(多个)状态测量。例如,控制脉冲可以指示(多个)量子计算设备测量量子状态和/或将量子状态解析为基态表示。另外,所测量的量子状态可以(例如,通过信号线)被传输到(多个)经典处理器。
79.作为另一示例,在一些实施例中,(多个)量子操作可以是或者可以包括由(多个)量子计算设备和/或在(多个)量子计算设备处实施至少一个量子门操作。例如,控制脉冲可以描述施加到(多个)量子计算设备(例如,量子位)以执行量子门控操作的微波脉冲。示例量子门控操作包括但不限于哈达玛门、受控非(cnot)门、受控相位门、t门、多量子位量子门、耦合器量子门等。
80.本说明书中描述的数字和/或量子主题以及数字功能操作和量子操作的实施方式可以在数字电子电路中实施,在合适的量子电路中实施,或者更一般地,在量子计算系统中实施,在有形地实施的数字和/或量子计算机软件或固件中实施,在数字和/或量子计算机硬件(包括在本说明书中公开的结构及其结构等同物)中实施,或者在它们中的一个或多个的组合中实施。术语“量子计算系统”可以包括但不限于量子计算机/计算系统、量子信息处理系统、量子密码系统或量子模拟器。
81.本说明书中描述的数字和/或量子主题的实施方式可以被实施为一个或多个数字和/或量子计算机程序,即编码在有形非暂时性存储介质上的数字和/或量子计算机程序指令的一个或多个模块,用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。数字和/或量子计算机存储介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基底、随机或串行存取存储器设备、一个或多个量子位/量子位结构、或者它们中的一个或多个的组合。替代地或附加地,程序指令可以被编码在能够对数字和/或量子信息进行编码的人工生成的传播信号(例如,机器生成的电、光或电磁信号)上,人工生成的传播信号被生成以对数字和/或量子信息进行编码以传输到合适的接收器装置供数据处理装置执行。
82.术语量子信息和量子数据是指由量子系统携带、在量子系统中保存或存储的信息或数据,其中最小的非平凡系统是量子位,即定义量子信息单位的系统。应该理解,术语“量子位”涵盖在相对应的上下文中可以适当地近似为二级系统的所有量子系统。这种量子系统可以包括多级系统,例如,具有两个或更多个级。举例来说,这种系统可以包括原子、电子、光子、离子或超导量子位。在许多实施方式中,计算基态用基态和第一激发态来标识,然而应该理解,其中计算态用更高级激发态(例如,qudits)来标识的其他设置是可能的。
83.术语“数据处理装置”是指数字和/或量子数据处理硬件,并且涵盖用于处理数字和/或量子数据的所有种类的装置、设备和机器,举例来说包括可编程数字处理器、可编程量子处理器、数字计算机、量子计算机、或者多个数字和量子处理器或计算机,以及它们的组合。该装置还可以是或进一步包括专用逻辑电路(例如,fpga(现场可编程门阵列)、asic(专用集成电路))或量子模拟器,即被设计成模拟或产生关于特定量子系统的信息的量子数据处理装置。具体地,量子模拟器是一种不具有执行通用量子计算的能力的专用量子计算机。除了硬件之外,该装置还可以可选地包括为数字和/或量子计算机程序创建执行环境的代码,例如,构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或多个的组合的代码。
84.数字计算机程序(也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写,包括编译或解释语言或者声明性或过程性语言,并且它可以以任何形式部署,包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适合于在数字计算环境中使用的其他单元。量子计算机程序(也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写,包括编译或解释语言或者声明性或过程性语言,并且被翻译成合适的量子编程语言,或者可以用量子编程语言编写,例如qcl、quipper、cirq等。
85.数字和/或量子计算机程序可以但不需要对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在保存其他程序或数据的文件的一部分(例如,标记语言文档中存储的一个或多个脚本)中,被存储在专用于所讨论的程序的单个文件中,或者被存储在多个协作的文件(例如,存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)中。数字和/或量子计算机程序可以被部署为在一个数字或一个量子计算机上执行,或者在位于一个地点或分布在多个地点并且通过数字和/或量子数据通信网络互连的多个数字和/或量子计算机上执行。量子数据通信网络被理解为可以使用量子系统(例如,量子位)传输量子数据的网络。通常,数字数据通信网络不能传输量子数据,然而,量子数据通信网络可以传输量子数据和数字数据两者。
86.在本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由在适当时与一个或多个数字和/或量子处理器一起操作的一个或多个可编程数字和/或量子计算机来执行,从而执行一个或多个数字和/或量子计算机程序,以通过对输入数字和量子数据进行操作并生成输出来执行功能。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路来执行,并且装置也可以被实施为专用逻辑电路,例如,fpga或asic或量子模拟器,或者由专用逻辑电路或量子模拟器和一个或多个编程的数字和/或量子计算机的组合来执行。
87.对于一个或多个数字和/或量子计算机或处理器的系统来说,“被配置为”或“可操作来”执行特定的操作或动作意味着系统已经在其上安装了软件、固件、硬件或它们的组合,从而在操作中使得该系统执行这些操作或动作。对于一个或多个数字和/或量子计算机
程序来说,被配置为执行特定的操作或动作意味着一个或多个程序包括指令,当该指令被数字和/或量子数据处理装置执行时使得该装置执行这些操作或动作。量子计算机可以从数字计算机接收指令,当该指令被量子计算装置执行时使得该装置执行这些操作或动作。
88.适于执行数字和/或量子计算机程序的数字和/或量子计算机可以基于通用或专用数字和/或量子微处理器或两者,或者任何其他种类的中央数字和/或量子处理单元。通常,中央数字和/或量子处理单元将从只读存储器、或随机存取存储器、或适于传输量子数据的量子系统(例如,光子)、或其组合接收指令和数字和/或量子数据。
89.数字和/或量子计算机的一些示例元件是用于执行或运行指令的中央处理单元以及用于存储指令和数字和/或量子数据的一个或多个存储器设备。中央处理单元和存储器可以由专用逻辑电路或量子模拟器补充或并入其中。通常,数字和/或量子计算机还将包括或可操作地耦合到用于存储数字和/或量子数据的一个或多个大容量存储设备(例如,磁盘、磁光盘或光盘,或者适于存储量子信息的量子系统),以从其接收数字和/或量子数据,或者向其传送数字和/或量子数据,或者两者兼有。然而,数字和/或量子计算机不需要具有这样的设备。
90.适于存储数字和/或量子计算机程序指令以及数字和/或量子数据的数字和/或量子计算机可读介质包括所有形式的非易失性数字和/或量子存储器、介质和存储器设备,举例来说包括:半导体存储器设备,例如eprom、eeprom和闪存设备;磁盘,例如内部硬盘或可移动磁盘;磁光盘;和cd-rom和dvd-rom盘;以及量子系统,例如,俘获的原子或电子。应该理解,量子存储器是能够高保真、高效率长时间存储量子数据的设备,例如,光-物质接口,其中光用于传输且物质用于存储和保留量子数据的量子特征(诸如叠加或量子相干)。
91.本说明书中描述的各种系统的控制或它们的一部分可以在数字和/或量子计算机程序产品中实施,该数字和/或量子计算机程序产品包括被存储在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上并且可在一个或多个数字和/或量子处理设备上执行的指令。本说明书中描述的系统或它们的一部分可以各自被实施为装置、方法或电子系统,其可以包括一个或多个数字和/或量子处理设备以及存储可执行指令的存储器以执行本说明书中描述的操作。
92.虽然本说明书包含许多具体的实施细节,但是这些不应被解释为对可能要求保护的范围的限制,而是被解释为对特定实施方式所特有的特征的描述。本说明书中在单独的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合地实施。相反,在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中分离地实施或者以任何合适的子组合实施。此外,尽管特征可能在上面被描述为在某些组合中起作用,并且甚至最初被如此要求保护,但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中删除,并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。
93.类似地,虽然在附图中以特定的次序描绘了操作,但是这不应被理解为要求这些操作以所示的特定次序或顺序次序执行,或者要求所有示出的操作都被执行,以获得期望的结果。在某些情况下,多任务和并行处理可能是有利的。此外,上述实施方式中的各种系统模块和组件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这样的分离,并且应该理解,所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。
94.已经描述了主题的特定实施方式。其他实施方式在所附权利要求的范围内。例如,权利要求中记载的动作可以以不同的次序来执行,并且仍然可以获得期望的结果。作为一个示例,附图中描绘的过程不一定需要所示的特定次序或顺序次序来获得期望的结果。在某些情况下,多任务和并行处理可能是有利的。