CN105158561A - 基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，包括：可调传输子量子比特；装配有超导线圈的无氧铜矩形谐振腔；用于屏蔽外部环境磁场的低温磁屏蔽筒；其中，所述可调传输子量子比特置于无氧铜矩形谐振腔内腔体的中心，所述可调传输子量子比特置于低温磁屏蔽筒内。本发明还公开了一种测量基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特能谱的方法。本发明实现了跃迁频率可调的传输子量子比特，对多量子比特耦合研究和量子调控有重要意义。

Description

基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统

技术领域

本发明提出了一种基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，并给出了测量该可调传输子量子比特能谱的基本方法，涉及量子比特测量和极微弱信号检测等领域。

背景技术

量子计算是目前的科学研究的热点，而超导量子计算作为量子计算实现的方案之一，具有制备工艺与半导体相兼容、可扩展性等优点，引起国际上广泛关注。

超导量子比特作为实现超导量子计算的基本单位，主要由约瑟夫森结构成，根据量子态的不同表现形式主要可分为三种基本类型：电荷量子比特、磁通量子比特和相位量子比特。2007年Yale小组提出了传输子量子比特的概念。2011年Yale小组又将传输子量子比特置于三维谐振腔中，这种基于三维谐振腔的3D传输子，其退相干时间长(通常都在几十个微秒)，引起广泛关注。

通常的传输子量子比特由单个约瑟夫森结构成，由于系统的约瑟夫森能E_J和电荷能E_C固定，其跃迁频率不可原位调节。由于样品制备中的不可控因素，很难严格控制样品的E_J和E_C，因此由单个约瑟夫森结构成的传输子量子比特，很难实现多个量子比特之间的耦合。

发明内容

发明目的：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统以及测量基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特能谱的方法，用直流超导量子干涉器件(dc-SQUID)作为可调传输子量子比特核心结构，替换通常的传输子量子比特中的单个约瑟夫森结，无氧铜矩形谐振腔装配有超导线圈，通过外加磁场偏置实现传输子量子比特跃迁频率的原位可调，同时通过低温磁屏蔽筒屏蔽外部环境磁场的干扰。

技术方案：

为了实现上述发明目的，本发明提供的第一种技术方案是一种基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，用直流超导量子干涉器件(dc-SQUID)作为可调传输子量子比特核心结构，替换通常的传输子量子比特中的单个约瑟夫森结，无氧铜矩形谐振腔装配有超导线圈，通过外加磁场偏置实现传输子量子比特跃迁频率的可调，同时通过低温磁屏蔽筒屏蔽外部环境磁场的干扰。

dc-SQUID是两个相同的高纯铝超导约瑟夫森结并联构成的环路，环路两端连接两个矩形的铝电极，形成偶极子天线。

矩形谐振腔由两个TU0型号(铜纯度>99.99％)无氧铜半腔构成，其中第一无氧铜半腔上通过螺钉连接两个射频SMA接头，两个射频SMA接头探针长度不同，较短的第一射频SMA接头作为信号输入端，较长的第二射频SMA接头作为信号输出端；第二无氧铜半腔上装配有超导线圈，超导线圈由单股NbTi低温超导线材绕制在TU0无氧铜的工字形基座，工字形基座通过螺钉固定在矩形谐振腔的半腔顶部圆柱凹槽内，第二无氧铜半腔侧壁上固定有第三射频SMA接头。

NbTi低温超导线的第一端焊接所述工字形基座上，第二端焊接在第三射频SMA接头上。

无氧铜矩形谐振腔的两个无氧铜半腔内腔壁经过镜面抛光处理。两个无氧铜半腔是通过4个螺钉机械结合的，其中结合面有铟丝密封，并有定位栓孔。

本发明提供的第二种技术方案为一种测量基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特能谱的方法，包括以下步骤：

(i)利用矢量网络分析仪，测量无氧铜矩形谐振腔修饰态随磁场偏置变化的曲线；

(ii)通过公式拟合所述步骤(i)测量到的矩形谐振腔修饰态随磁场偏置变化的曲线，同时得到可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线；

(iii)根据所述步骤(ii)得到的可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线，选择所述曲线近似线性变化区域的某一磁场偏置区间，测量多个磁场偏置点的可调传输子量子比特的一维频谱，得到对应跃迁频率的准确值；

(iv)根据所述步骤(iii)的结果，修正可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线，使得修正后的可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线大致经过所述步骤(iii)各磁场偏置点对应的跃迁频率；

(v)在某一磁场偏置区间，根据所述步骤(iv)修正后的可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线，改变每一磁场偏置下对应的扫描频率起始点，但固定每一磁场偏置点下扫描频率点数，扫描整个磁场偏置区间的可调传输子量子比特能谱。

其中步骤(ii)中的拟合公式具有如下形式

其 $\left\{\begin{array}{c}{f}_{01}=a\·\left|\sqrt{\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{b}(V+c)\right)}\right|\\ f_{\mathrm{dressed}}=f_c-\frac{g^2}{f_{01}-f_c}\end{array}\right.$ 中a,b,c和g为待定参数，a为电压频率转换系数，b为修饰态随磁场偏置变化曲线的周期，V为磁场偏置电压，c为磁场偏置电压初始偏移量，f_c为矩形谐振腔的谐振频率，f₀₁为可调传输子量子比特跃迁频率，f_dressed为矩形谐振腔修饰态的频率，g为耦合强度。

有益效果：

本发明提供了一种基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，实现了跃迁频率可调的传输子量子比特，对多量子比特耦合研究和量子调控有重要意义。同时，本发明还提供了一种测量基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特能谱的方法，可以大大减少表征可调传输子量子比特能谱的所需时间和复杂度，同时对表征其他可调量子比特的能谱有重要参考价值。

附图说明

图1基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统示意图；

图2可调传输子量子比特结构示意图；

图3无氧铜矩形谐振腔第一无氧铜半腔结构连接示意图(俯视图)；

图4无氧铜矩形谐振腔第一无氧铜半腔结构连接示意图(侧视图)；

图5无氧铜矩形谐振腔第二无氧铜半腔结构连接示意图(俯视图)；

图6无氧铜矩形谐振腔第二无氧铜半腔结构连接示意图(侧视图)；

图7超导线圈示意图；

图8无氧铜矩形谐振腔室温下测量的S21参数(空腔)曲线图；

图9测量基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特能谱的基本方法中步骤(i)(ii)的曲线图；

图10测量基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特能谱的能谱图。

具体实施方式

本发明利用直流超导量子干涉器件(dc-SQUID)作为可调传输子量子比特核心结构，替换通常的传输子量子比特中的单个约瑟夫森结，无氧铜矩形谐振腔装配有超导线圈，通过外加磁场偏置实现传输子量子比特跃迁频率的可调，同时通过低温磁屏蔽筒屏蔽外部环境磁场的干扰。

下面结合图例具体阐述实施方式：

如图1所示，基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统主要包括：可调传输子量子比特1、装配有超导线圈的无氧铜矩形谐振腔2和屏蔽外部环境磁场的磁屏蔽筒3。其中可调传输子量子比特1置于无氧铜矩形谐振腔2内腔体的中心位置，以实现最大程度的电磁场耦合。由于dc-SQUID极易受外部环境磁场干扰，必须使用低温磁屏蔽筒3，以屏蔽外部环境磁场。

如图2所示，可调传输子量子比特1由中心的直流超导量子干涉器件(dc-SQUID)11和两边的矩形电极偶极子天线13构成。dc-SQUID11是由两个相同的高纯铝超导约瑟夫森结12并联构成的环路。两个超导约瑟夫森结并联的等效约瑟夫森能随外加磁通Φ_a调制，且其中Φ₀为磁通量子。而对于传输子量子比特而言，其基态到第一激发态跃迁频率f₀₁满足其中E_J和E_C分别为该系统的约瑟夫森能和电荷能，h为普朗克常数。

因而，对于由dc-SQUID构成的传输子量子比特，其跃迁频率f₀₁也将随外加磁通Φ_a调制

$f_{01}\∝\sqrt{\left|cos\left(\mathrm{\π}\frac{{\mathrm{\Φ}}_a}{{\mathrm{\Φ}}_0}\right)\right|}$

dc-SQUID两边的矩形铝电极构成偶极子天线13，能够与矩形谐振腔中的电磁场进行耦合。

矩形谐振腔为了提高腔本身的品质因数Q，通常采用超导材料如高纯铝或6061T6铝合金作为腔体材料，实现低导体损耗。然而超导体具有完全抗磁性，磁场不能穿透，因而不适用可调传输子量子比特。所以我们采用高纯度的TU0型号(铜纯度>99.99％)无氧铜作为矩形谐振腔的腔体材料：可以外加磁场偏置和保证良好的热传导性。

装配有超导线圈的无氧铜矩形谐振腔设计具体如下图3～6所示：

图3和图4给出了无氧铜矩形谐振腔第一无氧铜半腔21结构连接示意图，可调传输子量子比特1置于样品槽的中心位置，以实现最大程度的电磁场耦合。第一无氧铜半腔21的结合面，我们设计了一个矩形槽214，方便我们填充铟丝密封。我们将第一射频SMA接头41和第二射频SMA接头42用螺钉水平固定在第一无氧铜半腔21侧面，并铣出对应尺寸的矩形槽212，保证射频SMA接头探针处于耦合孔的中心位置。两个射频SMA接头探针长度不同，较短的第一射频SMA接头41作为信号输入端，较长的第二射频SMA接头42作为信号输出端；

图5和图6给出了无氧铜矩形谐振腔第二无氧铜半腔22结构连接示意图，第二无氧铜半腔22顶部有圆柱形凹槽222，用于螺钉固定超导线圈23，侧壁上固定有用于连接超导线圈23的第三射频SMA接头43。

第一无氧铜半腔内腔壁211和第一无氧铜半腔内腔壁221是经过镜面抛光的，提高表面平整度，以提高矩形谐振腔的Q值。

第一无氧铜半腔21和第二无氧铜半腔22上各有三个三角形排列的定位栓孔213和223，用于螺钉机械结合两无氧铜半腔时精确定位。

图7给出了超导线圈23的示意图。单股NbTi低温超导线绕制在无氧铜材质的工字形基座230上，NbTi低温超导线第一端231焊接所述工字形基座230上，第二端232焊接在第三射频SMA接头43上。

无氧铜矩形谐振腔内腔体尺寸为：35.6mm×5mm×17.8mm。如图8所示，我们利用矢量网络分析仪测量了无氧铜矩形谐振腔的S21参数(空腔)，其中TE101模的谐振频率为9.482GHz，与仿真结果9.478GHz基本吻合。

通过在无氧铜矩形谐振腔样品槽里嵌入不同长度和材质的基片，我们可以降低TE101模的谐振频率。

一种测量基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特能谱的基本方法，具体步骤：

(i)利用矢量网络分析仪，测量无氧铜矩形谐振腔修饰态随磁场偏置变化的曲线(图9a)；

(ii)通过公式拟合所述步骤(i)测量到的矩形谐振腔修饰态随磁场偏置变化的曲线(图9b)，同时得到可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线(图9c)；

(iii)根据所述步骤(ii)得到的可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线，选择所述曲线近似线性变化区域的某一磁场偏置区间，测量多个磁场偏置点的可调传输子量子比特的一维频谱，得到对应跃迁频率的准确值；

(iv)根据所述步骤(iii)的结果，修正可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线，使得修正后的可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线大致经过所述步骤(iii)各测量点；

(v)在某一磁场偏置区间，根据所述步骤(iv)修正后的可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线，改变每一磁场偏置下对应的扫描频率起始点，但固定每一磁场偏置点下扫描频率点数，扫描整个磁场偏置区间的可调传输子量子比特能谱。

步骤(ii)中的拟合公式形式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{01}=a\·\left|\sqrt{\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{b}\left(V+c\right)\right)}\right|\\ f_{dressed}=f_c-\frac{g^2}{f_{01}-f_c}\end{array}\right.$

其中a,b,c和g为待定参数，a为电压频率转换系数，b为修饰态随磁场偏置变化曲线的周期，V为磁场偏置电压，c为磁场偏置电压初始偏移量，f_c矩形谐振腔的谐振频率，f₀₁为可调传输子量子比特跃迁频率，f_dressed为矩形谐振腔修饰态的频率，g为耦合强度。

步骤(iii)中多个磁场偏置点是等间隔的，且磁场偏置点总数≥10。

图9给出了采用此基本方法步骤(i)，(ii)的测量实例中参数为a＝8.89，b＝5.9，c＝-0.235，f_c＝8.051，g＝0.14的曲线图。曲线a是步骤(i)用矢量网络分析仪测量的矩形谐振腔修饰态随磁场偏置变化的曲线；曲线b是步骤(ii)拟合得到的矩形谐振腔修饰态随磁场偏置变化的曲线；曲线c则是步骤(ii)得到的可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线。

通过曲线c我们可确定某一磁场偏置下，可调传输子量子比特跃迁频率的大致范围，从而可以缩小扫描范围，节约大量时间和精力。

图10给出了按照此基本方法测量的一个可调传输子量子比特的能谱图。可以看出，频率扫描范围是随可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置的变化曲线一致变化的，这样大大缩小了扫描范围，节约了时间和精力。

Claims (10)

1.一种基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，包括：

可调传输子量子比特(1)；装配有超导线圈(23)的无氧铜矩形谐振腔(2)；用于屏蔽外部环境磁场的低温磁屏蔽筒(3)；

其中，所述可调传输子量子比特(1)置于无氧铜矩形谐振腔(2)内腔体的中心，所述可调传输子量子比特(1)置于低温磁屏蔽筒(3)内。

2.根据权利要求1所述的基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，其特征是：所述可调传输子量子比特(1)包括直流超导量子干涉器件(11)和偶极子天线(13)，所述直流超导量子干涉器件(11)是由两个相同的超导约瑟夫森结(12)并联构成的环路，所述环路两端均连接偶极子天线(13)。

3.根据权利要求1所述的基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，其特征是：所述无氧铜矩形谐振腔(2)由第一无氧铜半腔(21)和第二无氧铜半腔(22)构成，所述第一无氧铜半腔(21)的侧壁上固定第一射频SMA接头(41)和第二射频SMA接头(42)，所述第二无氧铜半腔(22)上装配有所述超导线圈(23)，所述第二无氧铜半腔(22)的侧壁上固定有第三射频SMA接头(43)。

4.根据权利要求3所述的基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，其特征是：所述无氧铜半腔(21)的侧面开设槽(212)；所述第一射频SMA接头(41)的探针长度短于第二射频SMA接头(42)的探针长度，所述第一射频SMA接头(41)作为信号输入端，所述第二射频SMA接头(42)作为信号输出端；所述第一射频SMA接头(41)和第二射频SMA接头(42)均固定在所述槽(212)内。

5.根据权利要求1所述的基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，其特征是：所述第一无氧铜半腔(21)的第一内腔壁(211)和所述第二无氧铜半腔(22)的第二内腔壁(221)都是经过镜面抛光处理过的。

6.根据权利要求3所述的基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，其特征是：所述第二无氧铜半腔(22)的顶部设有圆柱形凹槽(222)，所述超导线圈(23)由单股NbTi低温超导线绕制在无氧铜材质的工字形基座(230)上，所述工字形基座(230)固定在所述圆柱形凹槽(222)内；所述NbTi低温超导线的第一端(231)焊接在所述工字形基座(230)上，所述NbTi低温超导线的第二端(232)焊接在所述第三射频SMA接头(43)上。

7.根据权利要求1所述的基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特系统，其特征是：所述第一无氧铜半腔(21)和第二无氧铜半腔(22)是通过4个螺钉机械结合的，所述第一无氧铜半腔(21)的结合面设有三个定位栓孔(213)，所述第二无氧铜半腔(22)的结合面设有三个定位栓孔(223)；还包括用于密封所述第一无氧铜半腔(21)和第二无氧铜半腔(22)的铟丝，所述铟丝填充在第一无氧铜半腔(21)结合面的铟丝槽(214)内。

8.一种测量基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特能谱的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

(i)利用矢量网络分析仪，测量无氧铜矩形谐振腔修饰态随磁场偏置变化的曲线；

(ii)通过公式拟合所述步骤(i)测量到的矩形谐振腔修饰态随磁场偏置变化的曲线，同时得到可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线；

(iii)根据所述步骤(ii)得到的可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线，选择所述曲线近似线性变化区域的某一磁场偏置区间，测量多个磁场偏置点的可调传输子量子比特的一维频谱，得到对应跃迁频率的准确值；

(iv)根据所述步骤(iii)的结果，修正可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线，使得修正后的可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线大致经过所述步骤(iii)各磁场偏置点对应的跃迁频率；

(v)在某一磁场偏置区间，根据所述步骤(iv)修正后的可调传输子量子比特跃迁频率随磁场偏置变化的曲线，改变每一磁场偏置下对应的扫描频率起始点，但固定每一磁场偏置点下扫描频率点数，扫描整个磁场偏置区间的可调传输子量子比特能谱。

9.根据权利要求8所述一种测量基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特能谱的方法，其特征是：

所述步骤(ii)中的拟合公式具有如下形式

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{01}=a\·\left|\sqrt{cos\left(\frac{2\mathrm{\π}}{b}\right(V+c\left)\right)}\right|\\ f_{dressed}=f_c-\frac{g^2}{f_{01}-f_c}\end{array}\right.$

其中a,b,c和g为待定参数，a为电压频率转换系数，b为修饰态随磁场偏置变化曲线的周期，V为磁场偏置电压，c为磁场偏置电压初始偏移量，f_c为矩形谐振腔的谐振频率，f₀₁为可调传输子量子比特跃迁频率，f_dressed为矩形谐振腔修饰态的频率，g为耦合强度。

10.根据权利要求8所述一种测量基于无氧铜矩形谐振腔的可调传输子量子比特能谱的方法，其特征是：所述步骤(iii)中的多个磁场偏置点是等间隔的，且磁场偏置点总数≥10。