CN104639119A - 一种交流量子电压波形合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流量子电压波形合成方法，该方法包括：通过对待合成波形进行Δ-∑调制后的结果重新编码，使得对应高速数字代码中不包含待合成波形低频分量，利用双极性脉冲发生器输出该数字代码，驱动约瑟夫森结阵输出对应正向脉冲的量子电压脉冲，从而合成交流量子电压信号。脉冲发生器输出的双极性脉冲，正向脉冲与负向脉冲对低频分量贡献相互抵消，正向脉冲驱动约瑟夫森结阵工作在第一量子电压台阶，负向脉冲驱动约瑟夫森结阵在第零量子电压台阶。该交流量子电压波形合成方法可以大幅度简化交流量子电压波形合成系统，同时能够有效降低约瑟夫森结阵自身电感带来的感应电压误差，提高合成量子电压信号的准确度。

Description

一种交流量子电压波形合成方法

技术领域

本发明属于精密电磁测量领域，尤其是涉及一种交流量子电压波形合成方法。

背景技术

1996年，美国NIST的Hamilton和Benz首次提出一种脉冲驱动的交流量子电压波形合成方法。该方法基于交流约瑟夫森效应，即采用一系列高速的电流脉冲序列来驱动约瑟夫森结阵，当电流脉冲工作在量子电压台阶内时，不论脉冲的幅值如何变化，所述约瑟夫森结阵结阵在受到驱动后均会相应地产生时间积分面积恒等于h/2e的量子电压脉冲。合成波形时，首先利用Δ-∑调制将待合成的波形调制成一系列数字码型，将生成的数字码型存储到脉冲信号发生器内并转换成相应的高速脉冲输出，该高速脉冲输出驱动约瑟夫森结阵产生包含待合成波形信息的一系列量子电压脉冲，通过低通滤波滤除高速量子电压脉冲序列中携带的量化噪声，即得到需要合成的信号。

为了提高合成信号的幅度，NIST的交流量子电压波形合成系统使用包含5000-6000多个约瑟夫森结的结阵作为量子器件。为了保证串联的所有结阵在相同的微波功率下工作，需要在结阵的末端串联终端电阻R。然而，当驱动信号流过R时，其中包含的低频分量会产生共模电压误差。为消除共模电压，NIST采用交流耦合的方式，即使用直流阻断来衰减低频分量。但是，由于低频分量直接决定了脉冲序列的形状，该分量被滤除后，序列的形状会发生严重畸变而导致脉冲不能正常驱动约瑟夫森结阵。因此，需要利用一台任意波形发生器(补偿电流源)将低频分量重新注入。实际合成信号时，不仅需要调节脉冲信号发生器、微波、任意波形发生器的输出幅度，还需要调节三个信号之间的相对相位。复杂的驱动系统导致实际操作困难，同时因为移相器受到环境影响，会导致整个系统工作不稳定。更为糟糕的是，当合成包含多个频率分量的多音信号时，因为补偿信号不易注入，合成将变得更加困难。

另一方面，虽然通过重新注入补偿电流能够解决共模电压误差的问题，但是该低频电流分量会降低合成量子电压信号的准确度。理想情况下，超导的约瑟夫森结阵只是将驱动脉冲序列量子化，不产生任何误差。然而，实际的结阵电路存在着杂散的片上电感。当低频电流分量流过结阵时，片上电感会产生感应电压。它以接近正交的方式和合成的量子电压信号叠加，降低了ACJVS合成信号的准确度，感应电压误差在合成高频信号时尤为严重。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种新型的交流量子电压波形合成方法。

本发明的新型交流量子电压波形合成方法，其包括：

对待合成波形利用两电平Δ-∑调制数字化，通过对调制结果重新编码，使得到的数字代码中不包含待合成波形的低频分量；调制过程中，数字代码的长度为N，采样频率为f_s，则可以合成信号的最低频率为f_b＝f_s/N。

上述重新编码过程，使用“-1”、“1”、“-1”取代原代码中的“1”，“0”、“0”、“0”取代原代码中的“-1”，因而，数字代码长度变为原代码长度的三倍；

利用双极性脉冲发生器输出重新编码后的数字代码，其中脉冲发生器的时钟可溯源至GPS或原子钟；

调节脉冲发生器输出幅度，使得输出的双极性脉冲信号中正向脉冲与负向脉冲对低频分量贡献相互抵消；

用该双极性脉冲信号驱动约瑟夫森结阵，使得正向脉冲驱动约瑟夫森结阵工作在第一量子电压台阶，负向脉冲驱动约瑟夫森结阵在第零量子电压台阶，即约瑟夫森结阵仅输出对应正向脉冲的量子电压脉冲序列；

上述量子电压脉冲序列经低通滤波后，得到量子准确的待合成波形信号。

与现有量子电压波形合成方法相比，本发明具有以下优点：

首先，该方法通过对两电平Δ-∑调制结果进行重新编码，使得对应数字代码的脉冲序列不包含低频分量。该脉冲序列通过交流耦合驱动约瑟夫森结阵时，脉冲形状不会发生畸变，因此不需要重新注入补偿电流。在合成量子电压波形时，只需要调节双极性脉冲信号发生器的输出幅度，大大简化了合成系统和合成过程。

其次，理想状态下该方法所使用的驱动信号中不包含低频分量，所以不会产生感应电压误差。实际合成时，尽管正负向脉冲对低频分量的贡献不能完全抵消，但是仍然能够保证感应电压误差可忽略不计。

再次，该方法因为不需要重新注入补偿电流，所以能够合成具有复杂频谱的多频信号。

附图说明

图1(a)为交流量子电压波形合成原理图；

图1(b)为交流量子电压波形合成系统结构示意图；

图2为本发明的数字编码的快速傅里叶变换结果与现有方法的比较；

图3(a)为PXI5922测得的现有方法在脉冲发生器输出端的频谱；

图3(b)为PXI5922测得的本发明在脉冲发生器输出端的频谱；

图3(c)为现有方法合成的量子准确的1mV，8kHz正弦波信号的频谱；

图3(d)为本发明合成的量子准确的1mV，8kHz正弦波信号的频谱；

图4为本发明的合成方法中感应电压误差与现有方法的比较。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施方案进行详细说明。

本发明的交流量子电压波形合成原理示意图和系统结构示意图如图1所示。

图1(a)所示为交流量子电压波形合成原理图，图1(b)所示为交流量子电压波形合成系统结构示意图。如图1(b)所示，本发明采用的量子电压合成系统至少包括双极性脉冲发生器1，所述双极性脉冲发生器1优选为Sympuls BPG12G-TER；直流电阻2；约瑟夫森结阵电路3，所述约瑟夫森结阵电路3为NIST制作的包含6400个约瑟夫森结的集成芯片；终端电阻4。该量子电压合成系统还包括有其它设备，包括但不局限于铷原子钟和微波源，其中该铷原子钟优选为泰福特HJ5418，该微波源优选为Agilent-E8257D。

所述铷原子钟用于向所述双极性脉冲发生器1提供时钟信号；IV扫描电流源，优选该扫描电流源为IVS-100和示波器，优选该示波器为Tektronix 7603，用于测量约瑟夫森结阵的IV特性，计算机用于对待合成波形进行Δ-∑调制编码及控制双极性脉冲发生器的脉冲输出，其中所谓Δ-∑调制是现有技术中把高分辨率信号用脉冲密度调制编码为低分辨率信号的一种常用方法。高速数字化仪，优选该告诉数字化仪为NI PXI-5922，其用于测量约瑟夫森结阵输出的电压信号。

本发明提出的新型交流量子电压波形合成方法，包括：对待合成波形利用两电平Δ-∑调制数字化，通过对调制结果重新编码，使得到的数字代码中不包含待合成波形的低频分量；调制过程中，数字代码的长度为N，采样频率为f_s，则可以合成信号的最低频率为f_b＝f_s/N。上述重新编码过程，使用“-1”、“1”、“-1”取代原代码中的“1”，“0”、“0”、“0”取代原代码中的“-1”，因而，数字代码长度变为原代码长度的三倍；利用双极性脉冲发生器1输出重新编码后的数字代码，其中脉冲发生器的时钟可溯源至GPS或铷原子钟；调节双极性脉冲发生器1的输出幅度，使得输出的双极性脉冲信号中正向脉冲与负向脉冲对低频分量贡献相互抵消；用该双极性脉冲信号驱动约瑟夫森结阵，使得正向脉冲驱动约瑟夫森结阵工作在第一量子电压台阶，负向脉冲驱动约瑟夫森结阵在第零量子电压台阶，即约瑟夫森结阵仅输出对应正向脉冲的量子电压脉冲序列；上述量子电压脉冲序列经低通滤波后，得到量子准确的合成波形信号。

为说明本发明的交流量子电压波形合成方法，以下举例描述合成幅度1mV，频率8kHz电压信号的具体过程，该示例只是为了便于理解本发明的方法，但是不作为对本发明方法保护范围、应用领域等各种条件的限制。

首先对待合成波形待合成波形数字化。设定采样频率f_s＝1.66656GHz，数字代码长度N＝1666560，则可合成信号最低频率f_b＝f_s/N＝1kHz，待合成波形为f_b的8次谐波，即N比特数字代码包含8个完整的正弦波形。采用Matlab软件的Δ-∑调制工具箱对上述数字代码调制，计算过程设定调制器阶数n＝2，电平数l＝2。使用“-1”“1”“-1”取代生成数字代码中的“1”，“0”“0”“0”取代代码中的“-1”。使数字代码的长度变为原来的三倍，即M＝3N。Agilent E8257D向BPG12G-TER双极性脉冲发生器1提供时钟的频率f_BPG＝6f_S＝9.99936GHz。双极性脉冲发生器1将上述重新编码后的M比特数字代码转换为频率f_BPG的高速脉冲信号，经过直流阻断2及微波电缆，驱动工作在液氦温度下的约瑟夫森结阵3，输出合成量子电压信号。实际合成时，需要仔细地调节双极性脉冲发生器的正向脉冲和负向脉冲的幅度，使正向脉冲驱动约瑟夫森结阵工作在第一量子电压台阶，负向脉冲驱动约瑟夫森结阵在第零量子电压台阶。双极性脉冲发生器1输出负向脉冲的幅度约为正向脉冲幅度的一半，上述量子电压脉冲序列经低通滤波后，得到量子准确的合成波形信号。

图2为本发明的数字编码的快速傅里叶变换结果与现有方法的比较。其中浅灰色曲线为现有方法三电平Δ-∑调制所得到数字代码的频谱，黑色曲线为本发明两电平Δ-∑调制并经重新编码后所得到数字代码的频谱。可以看出，本发明中数字代码的频谱在合成信号基频(即8kHz处)的信号幅度比现有方法频谱在基频处的信号幅度低了205.93dB。

图3为本发明的合成方法合成1mV，8kHz正弦波实施例的频谱图与现有方法的比较。其中，图3(a)为PXI5922测得的现有方法在脉冲发生器输出端的频谱，图3(b)为PXI5922测得的本发明在脉冲发生器输出端的频谱，图3(c)为现有方法合成的量子准确的1mV，8kHz正弦波信号的频谱，图3(d)为本发明合成的量子准确的1mV，8kHz正弦波信号的频谱。

图4为本发明的合成方法中感应电压误差U_induc1与现有方法的比较。可以看出，本发明的合成方法所合成信号中的感应电压误差幅度U_induc1(如黑色曲线所示)低于现有方法(如浅灰色曲线所示)，并且，这种优势会随着频率的增加而变得愈发明显。其中，感应电压误差幅度U_induc1的测量过程分为以下几步：

(1)合成不同电压幅度、不同频率的分别针对本发明合成方法和现有方法的数字代码，其中所述电压幅度优选为0.5mV至3.5mV，步进0.5mV，所述频率优选为400kHz至1.8MHz，步进200kHz，。

(2)将现有合成方法对应的数字代码存入BPG12G-TER脉冲发生器内。调节BPG12G-TER脉冲发生器输出脉冲的幅度，使约瑟夫森结阵工作到第零个量子电压台阶。利用PXI 5922分别测量BPG12G-TER脉冲发生器输出端经直流阻断滤波后的驱动电流I₀，接着，测量约瑟夫森结阵输出端的感应电压U_induc0。

(3)将现有合成方法对应的数字代码存入双极性脉冲发生器内。调节双极性脉冲发生器输出脉冲的幅度，使得该幅度可以使约瑟夫森结阵正常工作来合成量子电压波形。利用PXI 5922测量双极性脉冲发生器输出端经直流阻断滤波后的驱动电流I₁。

从而，可以导出现有合成方法下的感应电压误差幅度U_induc1，并将其贡献表示为：

$R={\left(\frac{U_{\mathrm{induc}1}}{U_1}\right)}^2={\left(\frac{I_1}{I_0}\right)}^2\×{\left(\frac{U_{\mathrm{induc}0}}{U_1}\right)}^2$

其中，U₁为期望合成的量子电压信号幅度。

将本发明的合成方法对应的数字代码存入双极性脉冲发生器内，重复步骤(3)的操作，即可得到本发明合成方法下的感应电压误差幅度U_induc1及其贡献。

与现有量子电压波形合成方法相比，本发明的方法具有以下优点：

首先，该方法通过对两电平Δ-∑调制结果进行重新编码，使得对应数字代码的脉冲序列不包含低频分量。该脉冲序列通过交流耦合驱动约瑟夫森结阵时，脉冲形状不会发生畸变，因此不需要重新注入补偿电流。在合成量子电压波形时，只需要调节双极性脉冲信号发生器的输出幅度，大大简化了合成系统和合成过程。

其次，理想状态下该方法所使用的驱动信号中不包含低频分量，所以不会产生感应电压误差。实际合成时，尽管正负向脉冲对低频分量的贡献不能完全抵消，但是仍然能够保证感应电压误差可忽略不计。再次，该方法因为不需要重新注入补偿电流，所以能够合成具有复杂频谱的多频信号。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种交流量子电压波形合成方法，其包括：通过对待合成波形Δ-∑调制结果重新编码，使得对应高速数字代码中不包含待合成波形低频分量，利用双极性脉冲发生器输出该数字代码，驱动约瑟夫森结阵输出对应正向脉冲的量子电压脉冲，从而合成交流量子电压信号。

2.如权利要求1所述的交流量子电压波形合成方法，其特征在于：所述数字代码中不包含待合成波形低频分量。

3.如权利要求1所述的交流量子电压波形合成方法，其特征在于：所述双极性脉冲发生器输出数字代码驱动约瑟夫森结阵，仅输出对应正向脉冲的量子电压脉冲。

4.如权利要求1所述的交流量子电压波形合成方法，其特征在于：利用双极性脉冲发生器输出重新编码后的数字代码，其中脉冲发生器的时钟可溯源至GPS或原子钟。

5.如权利要求1所述的交流量子电压波形合成方法，其特征在于：调节脉冲发生器输出幅度，使得输出的双极性脉冲信号中正向脉冲与负向脉冲对低频分量贡献相互抵消。