CN104752803A - 一种含直流引线结构的3d微波谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D微波谐振腔，包括腔体、电路板、输入端口和输出端口，腔体为长方体，包括壳体和壳体内部开出的空腔；输入端口(3)和输出端口从腔体(1)的上部穿入壳体与空腔连通，腔体从其一个侧面沿着空腔的延伸方向朝向空腔开有一个狭槽；电路板包括外接部分(2a)和内插部分，外接部分的宽度较宽，内插部分的宽度较窄且呈长条状，内插部分经由狭槽插入空腔中。且内插部分包括沿其插入方向延伸的金属引线、位于插入部分末端的量子比特设备安装位、以及连接该金属引线与量子比特设备安装位的等电位连接线。本发明能达到更好的耦合效果，且能实现对量子比特的精确调控。

Description

一种含直流引线结构的3D微波谐振腔

技术领域

本发明涉及一种微波电路器件，特别涉及一种包含直流引线结构的3D微波谐振腔。

背景技术

半导体量子芯片是在传统半导体工业的基础上，充分利用量子力学效应，实现高效率并行量子计算的核心部件。量子比特，可以是量子点，也可以是超导量子干涉仪等装置，是量子芯片上的基本单元，可以储存和操作量子信息。但是要完成量子计算过程，还需要实现量子比特之间的耦合和数据交换，以及量子信息的探测读出。普通的电子线路无法传递量子信息，因此我们需要一些特殊的电子元件为我们实现这一功能。微波谐振腔可以激发和传递能够携带量子信息的微波光子，实现这一功能，而3D微波谐振腔是一种高效率的微波谐振腔。我们希望获得一种能够与量子比特实现良好的耦合，具有合适的品质因素(即Q值)，同时又能加入直流引线结构实现对量子比特进行精确调控，同时也可以作为一种有效的探测器，读出量子比特的信息。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明针对上述要求，设计了一种含直流引线结构的3D谐振腔装置，能够满足量子比特探测和相互之间通信的要求。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种3D微波谐振腔，包括腔体、电路板、输入端口和输出端口，其中，所述腔体为长方体，包括壳体和壳体内部开出的空腔，所述空腔的延伸方向与所述腔体的长度方向一致；所 述输入端口和输出端口从腔体的上部穿入壳体以与所述空腔连通，腔体从其一个侧面沿着所述空腔的延伸方向朝向空腔开有一个狭槽；所述电路板包括外接部分和内插部分，外接部分的宽度较宽，内插部分的宽度较窄且呈长条状，使得电路板整体类似一个“T”形；所述内插部分能够经由所述腔体的狭槽插入腔体的空腔中；且该内插部分包括沿其插入方向延伸的金属引线、位于插入部分末端的量子比特设备安装位、以及连接该金属引线与量子比特设备安装位的等电位连接线。

根据本发明的具体实施方式，所述腔体由前后两部分组成，两部分结构对称并能通过机械结构结合在一起。

根据本发明的具体实施方式，所述输入端口及输出端口的接入位置对称地分布于所述腔体的上表面。

根据本发明的具体实施方式，当所述电路板内插部分全部插入所述腔体时，所述量子比特设备安装位正好位于所述腔体的空腔的中心。

根据本发明的具体实施方式，所述腔体的外部还具有一个固定部，该固定部位于电路板的一侧并与腔体形成一个整体，当电路板的内插部分全部插入腔体时，电路板的外接部分可以固定在该固定部。

根据本发明的具体实施方式，所述电路板2的内插部分的伸入方向与所述输入端口、输出端口的伸入方向垂直。

根据本发明的具体实施方式，所述腔体的外壳为纯铝制成。

根据本发明的具体实施方式，所述腔体的空腔位于所述壳体的中心。

根据本发明的具体实施方式，所述电路板为PCB板。

(三)有益效果

采用本发明使用的技术方案，完全能够满足量子芯片的应用要求，具体表现在：

1.本发明的输入输出端口位于3D腔外壁的同一侧，并且对称分布，使3D腔内部的电场分布具有高度的对称性；

2.本发明在3D微波谐振腔的腔体一侧开有狭槽，位置均经过多次模拟验证，电磁波并不会从缝隙泄露造成损耗，也不会通过缝隙引入外部的噪声，电路板通过缝隙插入3D腔内后也不会造成电场强度的明显衰减；

3.本发明使用了刻有特制金属引线结构的电路板，在电路板插入3D微波谐振腔后，金属引线的方向使其也不会造成电场强度的明显衰减，相反，在局部还能增强电场强度，达到更好的耦合效果；

4.本发明使用位于电路板上的金属引线，以及等电位连接线，将量子比特设备上的电极连通到外界，与测量设备连接，从而实现了对量子比特的精确调控。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的3D微波谐振腔的结构示意图；

图2是本发明的上述实施例中采用的腔体的结构示意图；

图3是本发明的上述实施例中采用的电路板的结构示意图；

图4是本发明的上述实施例的电路板完全插入腔体时的示意图；

图5是为使用本发明实施例的3D微波谐振腔对砷化镓双量子点进行探测的一个实例的示意图。

具体实施方式

本发明提出一种3D微波谐振腔，包括腔体、电路板、输入端口和输出端口，腔体为长方体，包括壳体和壳体内部开出的空腔，空腔一般位于壳体的中心，且的延伸方向与腔体的长度方向一致。输入端口和输出端口从腔体的上部穿入壳体以与空腔连通。腔体从其一个侧面沿着空腔的延伸方向向空腔开有一个狭槽。

电路板包括外接部分和内插部分，外接部分的宽度较宽，内插部分的宽度较窄，呈长条状，使得电路板整体类似一个“T”形。所述内插部分能够经由所述腔体的狭槽插入腔体的空腔中。所述电路板的内插部分刻有沿其插入方向延伸的金属引线、位于插入部分末端的量子比特设备安装位和连接金属引线与量子比特设备安装位的等电位连接线(bonding wires)。金属引线以及等电位连接线共同构成本发明的直流引线结构。

本发明的腔体可以采用现有的3D微波谐振腔，其外壳通常为纯铝制成。输入端口及输出端口的接入位置通常对称地分布于腔体的上表面，它们的目的分别是为3D微波谐振腔提供输入的微波信号，以及测量输出信 号的强度。铝制外壳的腔体的目的是在极低温下形成超导的理想边界，用来减少内部微波通过边界反射产生的损耗。内部特定尺寸的空槽可以构造特定的驻波模式，每一种驻波模式的频率即微波在腔内的谐振频率。铝的超导临界温度较高(1.198K)，在量子比特工作的及低温下，呈现超导特性，使3D腔的边界变成理想边界，从而极大地减少因为耗散产生的能量损耗。同时因为在极低温下热噪声很小，所以这种谐振腔可以维持在腔内只有数个甚至单个光子的状态，从而准确地传递所需的量子信息。

腔体可以是由前后两部分组成，两部分结构对称并能通过机械结构结合在一起。由此，当前后两部分分离后，即打开腔体后，可以在腔体的正中心放入量子比特设备。输入端口及输出端口的伸入方向一般与腔体的前后表面平行。当3D腔闭合，并且在极低温下工作时，量子比特设备由于处于正中心，感受到的微波强度最大，从而能达到最大耦合。量子比特设备安装在电路板的量子比特设备安装位上，当电路板的内插部分完全伸入腔体时，使得量子比特设备放置到腔体的空腔的中心。

量子比特设备粘附在电路板的量子比特设备安装位上，通过等电位连接线(bonding wires)一一连接量子比特设备上的电极与电路板上的对应金属引线。为了在工作时使量子比特设备位于腔体的空腔的正中心，本发明中设定电路板的内插部分的长度及腔体的狭槽的位置，使得当所述内插部分全部插入腔体时，量子比特设备安装位正好位于腔体的空腔的中心。

为了使引线的方向不影响腔体内部电磁场的分布，电路板的的内插部分的伸入方向与输入端口、输出端口的伸入方向垂直。

根据本发明的优选实施方式，腔体的外部还可具有一个固定部，该固定部位于电路板的一侧并与腔体形成一个整体，当电路板的内插部分全部插入腔体时，电路板的外接部分可以固定在该腔体的固定部。

在本发明中，电路板上的金属引线结构的目的是连接粘附于电路板末端的量子比特设备上的电极，以实现对量子比特的精确调控。金属引线的分布方向是经过详细的模拟，沿着插入方向排布，金属引线不仅不会减弱腔内电场强度，反而会在局部放大电场强度，达到更好的耦合效果。金属引线结构延伸至电路板外部，与外界测量设备连接。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的一个实施例的3D微波谐振腔的结构示意图。参见附图1，本发明的3D微波谐振腔包括腔体1、电路板2、输入端口3和输出端口4。输入端口3和输出端口4位于腔体的上方，电路板2从腔体1的一个侧面伸入腔体的内部。需要说明的是，腔体1在垂直于纸面方向上是具有厚度的，图1是正视图，故未予显示。而电路板2的厚度较小，为薄片状。并且，腔体1由前后两部分组成，两部分结构对称并能通过机械结构结合在一起。而在该图1中显示的是拿掉了其中前半部分后的示意图。

图2是本发明的上述实施例中采用的腔体的结构示意图。如图2所示，腔体1为长方体，包括壳体11和壳体内部开出的空腔12，空腔的延伸方向与腔体的长度方向一致。输入端口3和输出端口4从腔体1的上部穿入壳体11以与空腔12连通。腔体1从其一个侧面沿着空腔的延伸方向向空腔开有一个狭槽13。输入端口3和输出端口4从腔体1的上部垂直接入腔体1内。电路板2从腔体1的开有狭槽13的一个侧面经由该狭槽13伸入，并且，电路板2的平面平行于腔体1前、后平面。图中13a是狭槽外部开口的狭缝。

图3是本发明的上述实施例中采用的电路板的结构示意图。如图3所示，电路板2为PCB板，包括外接部分2a和内插部分2b，外接部分2a的宽度较宽，内插部分2b的宽度较窄，呈长条状，使得电路板整体类似一个“T”形。所述内插部分2b能够经由所述腔体1的狭槽13插入腔体的空腔中。所述电路板的内插部分2b刻有沿其插入方向延伸的金属引线21，位于插入部分2b末端的位置是量子比特设备安装位2d，该安装位2d用于安装量子比特安装设备。在量子比特设备安装位2d和金属线结21之间的电路板上的位置的等电位连接线区2c，其中分布有等电位连接线(bonding wires，图中未示出)。金属引线21以及等电位连接线共同构成本发明的直流引线结构。由于等电位连接线极短且细，故未在图3中画出。

电路板2的外接部分2a固定在腔体1的外壳11上(外壳向电路板2的部分延伸出一固定部，未在图在示出)，负责将位于腔体1内的直流引线导出。在外接部分2a的左端，有通用的8针孔插槽底座结构，焊接好 插槽后，即可将测量设备的引线插上，连通直流引线，从而最终控制量子比特设备。

如图1所示，金属引线21的方向是与输入端口3、输出端口4的伸入方向正交的。另需要说明的是，金属引线21的引线数量并非固定，出于不同的需求，以及尺寸的限制，引线的数量可为8根至16根。等电位连接线则可使用现有的wire bonding设备。

本发明中涉及的量子比特设备可采用现有的设备，但由于本发明的目的即用于精确操控各种各样的量子比特设备，从而量子比特设备构成了本发明的一种附属配件。

图4是本发明的上述实施例的电路板完全插入腔体时的示意图。经过本申请的发明人的大量模拟，在3D微波谐振腔的正常工作模式下，腔体内的空腔的正中心为微波最强处。因此，为了达到最大耦合，本本明将量子比特设备安置在空腔的正中心。实现这一点需要使量子比特设备安装在在安装位2d上，且电路板的插入部分2b的长度正好到达空腔12的正中心。

图5是为使用本发明实施例的3D微波谐振腔对砷化镓双量子点进行探测的一个实例的示意图。幅值极低的微波信号由网络分析仪5输出端口出发，经过本发明所包含的3D微波谐振腔的输入端口，在3D微波谐振腔内达到谐振后，经过3D腔的输出端口4，再返回网络分析仪5的输入端口。网络分析仪5可以给出整个电路的S参数的幅值、相位、谐振峰Q值等信息。该实施例所使用的量子比特设备，即砷化镓双量子点8，经由电路板2的等电位连接线与金属引线21，该砷化镓双量子点8与一系列用于直流偏置的锁相放大器6连接。锁相放大器6的作用是给每个输出端口一个恒定的直流电压偏置，从而借由本发明的直流引线结构实现了对该砷化镓双量子点8的精确调控作用。在合适的直流偏置下，3D微波谐振腔中的微波光子与砷化镓双量子点8中的电子处于耦合状态，可以相互交换信息，从而影响到微波光子的谐振特性，最终反映在测出的S参数上。本实施例中所使用的网络分析仪5以及锁相放大器6均通过电脑7控制，达到大量采集与存储数据的目的。

如上所述，在本发明中，微波光子在由铝壳包裹的长方体空间内传输，形成特定的驻波模式。这种结构有两个优势：一是长方体空腔内的驻波模式可以轻易地由电磁波传输的边界条件求解得出，实物与理论模拟的误差更小，从而可控度更高；二是在3D微波谐振腔内，电场的分布具有高度的对称性，所以极易获取电场强度最大的位置，从而确保内部的量子比特设备与微波光子能够达到最强耦合。在本发明的使用过程中，一般使用最低阶的TE101驻波模式，因为该模式电场强度最大处只有一个，即3D微波谐振腔的正中心，从而极大地简化了与本发明相关的其他部分的设计。

并且，在本发明中，量子比特设备粘附在电路板的末端，精确地伸到3D腔的正中心。电路板平面穿过3D腔的正中心。缝隙的位置经过详细的模拟，内部的电磁波并不会从缝隙处泄露，同时也不会引入过大的噪声源。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种3D微波谐振腔，包括腔体(1)、电路板(2)、输入端口(3)和输出端口(4)，其中，

所述腔体为长方体，包括壳体(11)和壳体内部开出的空腔(12)，所述空腔(12)的延伸方向与所述腔体(1)的长度方向一致；

所述输入端口(3)和输出端口(4)从腔体(1)的上部穿入壳体(11)以与所述空腔(12)连通，腔体从其一个侧面沿着所述空腔的延伸方向朝向空腔开有一个狭槽(13)；

所述电路板(2)包括外接部分(2a)和内插部分(2b)，外接部分的宽度较宽，内插部分的宽度较窄且呈长条状，使得电路板整体类似一个“T”形；所述内插部分能够经由所述腔体的狭槽(13)插入腔体的空腔中；且该内插部分包括沿其插入方向延伸的金属引线(21)、位于插入部分末端的量子比特设备安装位(2d)、以及连接该金属引线与量子比特设备安装位的等电位连接线。

2.如权利要求1所述的3D微波谐振腔，其特征在于，所述腔体(1)由前后两部分组成，两部分结构对称并能通过机械结构结合在一起。

3.如权利要求1所述的3D微波谐振腔，其特征在于，所述输入端口(3)及输出端口(4)的接入位置对称地分布于所述腔体(1)的上表面。

4.如权利要求1所述的3D微波谐振腔，其特征在于，当所述电路板内插部分(2b)全部插入所述腔体时，所述量子比特设备安装位正好位于所述腔体的空腔(12)的中心。

5.如权利要求1所述的3D微波谐振腔，其特征在于，所述腔体(1)的外部还具有一个固定部，该固定部位于电路板(2)的一侧并与腔体(1)形成一个整体，当电路板(2)的内插部分(2b)全部插入腔体(1)时，电路板的外接部分可以固定在该固定部。

6.如权利要求1所述的3D微波谐振腔，其特征在于，所述电路板2的内插部分(2b)的伸入方向与所述输入端口(3)、输出端口(4)的伸入方向垂直。

7.如权利要求1所述的3D微波谐振腔，其特征在于，所述腔体的外壳(11)为纯铝制成。

8.如权利要求1所述的3D微波谐振腔，其特征在于，所述腔体(1)的空腔(12)位于所述壳体(11)的中心。

9.如权利要求1所述的3D微波谐振腔，其特征在于，所述电路板(2)为PCB板。