CN106785293B - 一种超导微波纳米谐振腔 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种超导微波纳米谐振腔，包括介质基片、位于介质基片同一表面的两个共面波导地平面、共面波导传输线中央导带线和纳米腔；共面波导传输线中央导带线位于两个共面波导地平面之间；纳米腔位于共面波导地平面区域内，且位于介质基片表面上；其中，纳米腔的线宽为百纳米级别，且纳米腔背离共面波导传输线中央导带线的边上设置有开口。所述开口能够减小纳米腔和共面波导传输线中央导带线组成的电路的电容，从而削弱电容耦合；纳米腔的线宽减小，增强了动态电感，引起更高的特征阻抗，从而增强了超导微波纳米谐振腔与量子系统之间的耦合能力。

Description

一种超导微波纳米谐振腔

技术领域

本发明涉及微波电路技术领域，尤其涉及一种超导微波纳米谐振腔。

背景技术

相比于光学体系，电路量子电动力学体系可以完全在一块毫米级的电路芯片上实现，使用一维共面波导谐振腔结构将电场压缩在共面波导的电磁场最强处(即波腹处)，在局部实现更大的电场强度，放置于电场最强处的量子比特与谐振腔通过电容耦合的方式，能够轻松实现强耦合。

现在通用的用于操纵和读取超导量子比特的方式是：直接将量子比特耦合到一条线宽在微米级的超导微波纳米谐振腔上，一个超导微波纳米谐振腔完成与量子比特的耦合等所有操作。

但现有技术中，超导微波纳米谐振腔与量子比特的耦合较弱，因此，亟需一种能够与量子比特实现良好耦合的超导微波纳米谐振腔。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种超导微波纳米谐振腔，以解决现有技术中超导微波纳米谐振腔与量子比特的耦合较弱的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超导微波纳米谐振腔，包括：

介质基片、两个共面波导地平面、共面波导传输线中央导带线和纳米腔；

两个所述共面波导地平面、所述共面波导传输线中央导带线和所述纳米腔位于所述介质基片同一表面；

所述共面波导传输线中央导带线位于两个所述共面波导地平面之间；

所述纳米腔位于所述共面波导地平面区域内，且位于所述介质基片表面上；

其中，所述纳米腔的线宽为百纳米级别，且所述纳米腔背离所述共面波导传输线中央导带线的边上设置有开口。

优选地，所述纳米腔的线宽小于或等于500纳米。

优选地，所述纳米腔的线宽为100纳米。

优选地，所述开口在沿其所在的所述纳米腔的边长方向上的尺寸大于5微米。

优选地，所述开口在沿其所在的所述纳米腔的边长方向上的尺寸为其所在的所述纳米腔的边长。

优选地，所述纳米腔朝向所述共面波导传输线中央导带线的边上还包括相互串接的多个超导量子干涉装置。

优选地，所述纳米腔与所述共面波导传输线中央导带线之间的距离大于或等于6微米。

优选地，所述纳米腔与所述共面波导传输线中央导带线之间的距离为20微米。

优选地，所述介质基片为硅基片或蓝宝石基片。

优选地，所述共面波导地平面、共面波导传输线中央导带线和纳米腔的金属部分的材质为铌材质或氮化铌材质。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的超导微波纳米谐振腔，包括介质基片、两个共面波导地平面、共面波导传输线中央导带线和纳米腔；两个所述共面波导地平面、所述共面波导传输线中央导带线和所述纳米腔位于所述介质基片同一表面；所述共面波导传输线中央导带线位于两个所述共面波导地平面之间；所述纳米腔位于所述共面波导地平面区域内，且位于所述介质基片表面上；其中，所述纳米腔的线宽为百纳米级别，且所述纳米腔背离所述共面波导传输线中央导带线的边上设置有开口。

本发明中通过在纳米腔背离所述共面波导传输线中央导带线的边上设置开口，减小纳米腔和共面波导传输线中央导带线组成的电路的电容，从而削弱电容耦合；同时通过减小纳米腔的线宽，从微米级别减小至百纳米级别，纳米级的线宽能够极大的增大所述电路的动态电感，使得其与一般考虑的磁自感在一个量级，甚至更高量级。增强动态电感，引起更高的特征阻抗，从而增强零点电压波动，进而增强超导微波纳米谐振腔与量子系统之间的耦合能力，尤其是与不容易达到强耦合的体系(例如量子点体系)的耦合能力，进而改善了超导微波纳米谐振腔与量子比特的耦合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种超导微波纳米谐振腔的立体图结构示意图；

图2为图1所示超导微波纳米谐振腔的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种超导微波纳米谐振腔的立体图结构示意图；

图4为图3所示超导微波纳米谐振腔的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术部分所述，超导微波纳米谐振腔与量子比特的耦合较弱，发明人发现，出现上述技术问题的原因是，现有技术中超导微波纳米谐振腔与量子比特之间的耦合均为电容耦合，并未考虑电感耦合，而且电感耦合较弱，使得现有技术中技术人员很少考虑使用电感耦合。

发明人通过研究发现，若将超导微波纳米谐振腔与量子比特组成的电路中的电容减小，突出电感耦合，并采用高精度工艺制作窄线宽的纳米腔，从而能够在不影响电容耦合效果的基础上，增加电感耦合，进而增强超导微波纳米谐振腔与量子比特的耦合。

基于此，本发明提供一种超导微波纳米谐振腔，包括：

介质基片、两个共面波导地平面、共面波导传输线中央导带线和纳米腔；

两个所述共面波导地平面、所述共面波导传输线中央导带线和所述纳米腔位于所述介质基片同一表面；

所述共面波导传输线中央导带线位于两个所述共面波导地平面之间；

所述纳米腔位于所述共面波导地平面区域内，且位于所述介质基片表面上；

其中，所述纳米腔的线宽为百纳米级别，且所述纳米腔背离所述共面波导传输线中央导带线的边上设置有开口。

本发明中通过在纳米腔背离所述共面波导传输线中央导带线的边上设置开口，减小纳米腔和共面波导传输线中央导带线组成的电路的电容，从而削弱电容耦合；同时通过减小纳米腔的线宽，从微米级别减小至百纳米级别，纳米级的线宽能够极大的增大所述电路的动态电感，使得其与一般考虑的磁自感在一个量级，甚至更高量级。增强动态电感，引起更高的特征阻抗，从而增强零点电压波动，进而增强超导微波纳米谐振腔与量子系统之间的耦合能力，尤其是与不容易达到强耦合的体系(例如量子点体系)的耦合能力，进而改善了超导微波纳米谐振腔与量子比特的耦合。

另外，由于现有技术中在超导微波纳米谐振腔上加的调制、操纵等各种脉冲容易串扰，容易在耦合中引入噪声，本发明提供的超导微波纳米谐振腔，在使用过程中，量子比特先与纳米腔耦合，纳米腔再和操纵、测量的共面波导传输线耦合，当探测频率不是纳米腔的谐振频率时，纳米腔等效于不存在，把量子比特与外电路(共面波导传输线、外部测量电路)隔开，因此，所述超导微波纳米谐振腔不仅能够与量子比特之间实现信息交换，还能够作为有效的隔离器，将量子比特与操纵测量的谐振腔隔开，使得量子比特处于相对弱噪声的环境中。

下面结合附图详细说明一下本发明提供的超导微波纳米谐振腔。

请参见图1和图2，图1为本发明实施例提供的超导微波纳米谐振腔的立体结构示意图，图2为本发明实施例提供的超导微波纳米谐振腔的俯视结构示意图。所述超导微波纳米谐振腔包括：介质基片1、两个共面波导地平面3、共面波导传输线中央导带线2和纳米腔4；两个共面波导地平面3、共面波导传输线中央导带线2和纳米腔4位于介质基片1同一表面；共面波导传输线中央导带线2位于两个共面波导地平面3之间；纳米腔4位于共面波导地平面3区域内，且位于介质基片1表面上；其中，纳米腔4的线宽为百纳米级别，且纳米腔4背离共面波导传输线中央导带线2的边上设置有开口6。

本实施例中信号的输入与输出都是通过共面波导传输线中央导带线2与纳米腔4之间的耦合实现的。共面波导传输线中央导带线2和纳米腔4之间的电容耦合非常弱，纳米腔4的内品质因子(即Q值)高达10^5，从而保证纳米腔4的内耗非常小，纳米腔4的加入引起的噪声对量子比特影响小。

需要说明的是，纳米腔的等效电路是电容和电感的并联电路，现有技术中一般情况下，纳米腔与其他体系耦合利用的是电容耦合，本实施例中采用的电感耦合。由于材料本身的性质，可以通过减小线宽增强电感，而纳米级的线宽能够极大的增大电路的动态电感，使得电路的动态电感与一般考虑的磁自感在一个量级，甚至更高量级。增强电路的动态电感能够引起更高的特征阻抗，从而能够增强电路的零点电压波动，进而增强超导微波纳米谐振腔与量子系统之间的耦合能力，尤其是与不容易达到强耦合的体系(例如量子点体系)的耦合能力。如图2中所示，纳米腔4的线宽w为百纳米级别，发明人经过实践发现，纳米腔4的线宽越窄，则动态电感越大，因此，本发明实施例中纳米腔4的线宽w小于或等于500纳米。更加可选地，受目前制作工艺限定，纳米腔4的线宽可制作为100纳米，但本发明实施例不限定所述纳米腔的线宽，在制作工艺精度允许的情况下，纳米腔的线宽还可以制作为50纳米等小于100纳米的尺寸。

由于本发明实施例提供的超导微波纳米谐振腔与量子比特的耦合依赖于电感耦合，因此，需要减小超导微波纳米谐振腔与量子比特组成电路的电容，电容越小越能够突出电感的耦合作用，本实施例中通过在纳米腔背离共面波导传输线中央导带线2的边上设置有开口6，开口的存在能够减小电容，从而削弱电容耦合。本实施例中纳米腔的开口6越大，越能够减小电容，进而突出电感的耦合作用，因此，本实施例中对开口6的尺寸不做限定，越大越好，开口6在沿其所在的纳米腔4的边长方向上的尺寸b至少大于5微米。本实施例中可选的，如图3和图4所示，开口6在沿其所在的纳米腔4的边长方向上的尺寸b为其所在的纳米腔4的边长。即纳米腔4变成只有三个边的腔体结构，请参见图3和图4。

需要说明的是，为了进一步增加电路的动态电感，如图3和图4所示，本实施例中提供的纳米腔4还可以包括多个超导量子干涉装置5，多个超导量子干涉装置5位于纳米腔4朝向共面波导传输线中央导带线2的边上，且多个超导量子干涉装置5相互串接。超导量子干涉装置(superconducting quantum interference device，简称SQUID)由两个超导约瑟夫森结并联成环，约瑟夫森结本身是非线性结构，可以等效为一个可调电感和一个电容的并联，可调电感与通过结的超导电流大小有关，超导电流越小，电感越大。因此通过增加设置SQUID，一方面可以增强电路的非线性，另一方面还能够进一步增大纳米腔结构的电感，从而增强超导微波纳米谐振腔与量子比特的电感耦合。本实施例中与现有技术中将SQUID用作量子比特的基本单位的用处不同，本实施例中利用了构成SQUID的约瑟夫森结的电感特性，进一步增大纳米腔的电感。

本实施例中通过增加SQUID来增加电感，从而引起更高的特征阻抗(50欧姆至千欧级别)，增强零点电压波动，进一步提高超导微波纳米谐振腔与量子系统之间的耦合能力。

需要说明的是，本实施例中共面波导传输线中央导带线2为一根直线传输线，每个位置都是等同的，因此本实施例中纳米腔可以任意放置，且一根传输线上可以放置多个纳米腔，进而实现高可集成性。另外，一根传输线上耦合多个纳米腔还可以用于研究多个量子比特之间的相互作用。本实施例中，如图1-图4中所示，纳米腔4与共面波导传输线中央导带线2之间的距离L为大于或等于6微米，需要说明的是，当纳米腔4和共面波导传输线中央导带线2之间的距离较近时，电容耦合变强，与本申请的思想相悖，而太远时，则可能会造成耦合不上，因此，本实施例中可选的，纳米腔4与共面波导传输线中央导带线2之间的距离L为20微米。

本实施例中对介质基片的材质不做限定，可选地，介质基片1为硅基片或蓝宝石基片。在实际工作中，可以将电路通过微纳米加工制作在一块电介质基片上，基片底部可以用银胶贴在样品架的金属板上作为接地平面。

本实施例中共面波导地平面3、共面波导传输线中央导带线2和纳米腔4的金属部分的材质为铌材质或氮化铌材质。这两种材料比传统用作超导材料的铝的临界温度要高许多，这样允许设备在更高的温度下呈现超导特性，进而保证能够传导极小的能量而不至于因衰减而很快耗散。并且，这两种材料对磁场的忍受能力也很强，能够在很强的磁场(B～5T)下依旧保持超导的性质。

本实施例中纳米腔的线宽降低至纳米级，该结构可以通过在介质基片上光刻、显影、电子束曝光、镀膜、剥离等过程得到所需的结构。由于采用了通用的微纳加工工艺，所以不仅适用于超导电路，传统半导体量子芯片中也可适用，适用性广。

具体地，本发明实施例提供的超导微波纳米谐振腔的在设计时，先选定使用的介质基片，所述介质基片可以为晶向100、厚度为0.5mm的高阻硅片，然后使用微波模拟工具Sonnet对纳米腔和共面波导的微波特性进行模拟，根据预设谐振频率来确定纳米腔的长度。随后再加上SQUID结构，通过改变约瑟夫森结的结电容大小获取输入输出曲线，根据实验要求腔的Q值来选择合适的结电感。

本发明实施例提供的超导微波纳米谐振腔的在制作时，首先是做外围共面波导，共面波导中央导带线与共面波导地平面间距比10:6微米，也即图1-图4中所示的a为10微米，d为6微米；将切割好的大小合适的介质基片的一个表面上甩上一层光刻胶，利用光刻曝光技术曝光对应的图案，经过显影，将掩膜板上没有金属遮挡的部分对应位置的光刻胶洗掉，使得没有金属遮挡的位置的介质基片表面露出，而其余部分仍有光刻胶遮挡。

再次，使用磁控溅射技术在介质基片上有光刻胶的一面上镀上一层厚度100nm的铌薄膜或者氮化铌薄膜，最后在1-甲基-2-吡络烷酮的溶剂中剥离掉介质基片表面的光刻胶，对应光刻胶上的金属也同时被剥离，留下的部分即本发明实施例中的外围共面波导结构。最后，在镀了金属的一面，再甩一层电子束胶，利用电子束曝光的方法，曝光图案，主要曝光区域即图1-图4所示的方形介质基片1的区域，通过对准标记(图1-图4中未示出)，确保纳米腔与共面波导地平面的距离是20微米，再经过显影、镀膜、剥离等步骤，具体操作方法与上面描述相同，从而得到8nm厚、100nm宽的纳米腔结构。

需要说明的是，上述制作步骤中，采用的工艺为本发明实施例中优选的工艺方法，但本发明实施例中对此并不做限定。

本发明中通过在纳米腔背离所述共面波导传输线中央导带线的边上设置开口，减小纳米腔和共面波导传输线中央导带线组成的电路的电容，从而削弱电容耦合；同时通过减小纳米腔的线宽，从微米级别减小至百纳米级别，纳米级的线宽能够极大的增大所述电路的动态电感，使得其与一般考虑的磁自感在一个量级，甚至更高量级。增强动态电感，引起更高的特征阻抗，从而增强零点电压波动，进而提高超导微波纳米谐振腔与量子系统之间的耦合能力，尤其是与不容易达到强耦合的体系(例如量子点体系)的耦合能力，进而改善了超导微波纳米谐振腔与量子比特的耦合。

另外，采用本发明提供的超导微波纳米谐振腔，完全能够满足量子芯片的需要，具体表现在：

1、本发明提供的超导微波纳米谐振腔的主体为平面结构，尺寸小于常规微波传输线，占空间小，可以与多个量子比特集成在同一基片上，可集成度高；

2、本发明提供的超导微波纳米谐振腔的纳米腔的线宽为纳米级，能有效增加量子体系与谐振腔之间的电感耦合，有利于量子体系的扩展；

3、本发明提供的超导微波纳米谐振腔的纳米腔还可以通过串接SQUID，加直流偏置改变磁通，可以调控共振频率，保障了磁场操控手段的可实施性；

4、本发明提供的超导微波纳米谐振腔使用了超导材料，使得谐振腔可以维持低能量少光子的谐振状态，保证了量子信息的准确传递；

5、本发明提供的超导微波纳米谐振腔中的共面波导中央导带线为直线的，且作为一根共面波导传输线，其上各个位置均等同，可以耦合多个纳米腔，有利于研究多个量子体系与谐振腔系统之间的相互作用。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种超导微波纳米谐振腔，其特征在于，包括：

介质基片、两个共面波导地平面、共面波导传输线中央导带线和纳米腔；

两个所述共面波导地平面、所述共面波导传输线中央导带线和所述纳米腔位于所述介质基片同一表面；

所述共面波导传输线中央导带线位于两个所述共面波导地平面之间；

所述纳米腔位于所述共面波导地平面区域内，且位于所述介质基片表面上，所述纳米腔朝向所述共面波导传输线中央导带线的边上还包括相互串接的多个超导量子干涉装置，所述超导量子干涉装置由两个超导约瑟夫森结并列成环；

其中，所述纳米腔的线宽为百纳米级别，且所述纳米腔背离所述共面波导传输线中央导带线的边上设置有开口；

所述共面波导地平面、共面波导传输线中央导带线和纳米腔的金属部分的材质为铌材质或氮化铌材质。

2.根据权利要求1所述的超导微波纳米谐振腔，其特征在于，所述纳米腔的线宽小于或等于500纳米。

3.根据权利要求2所述的超导微波纳米谐振腔，其特征在于，所述纳米腔的线宽为100纳米。

4.根据权利要求3所述的超导微波纳米谐振腔，其特征在于，所述开口在沿其所在的所述纳米腔的边长方向上的尺寸大于5微米。

5.根据权利要求4所述的超导微波纳米谐振腔，其特征在于，所述开口在沿其所在的所述纳米腔的边长方向上的尺寸为其所在的所述纳米腔的边长。

6.根据权利要求1所述的超导微波纳米谐振腔，其特征在于，所述纳米腔与所述共面波导传输线中央导带线之间的距离大于或等于6微米。

7.根据权利要求6所述的超导微波纳米谐振腔，其特征在于，所述纳米腔与所述共面波导传输线中央导带线之间的距离为20微米。

8.根据权利要求1所述的超导微波纳米谐振腔，其特征在于，所述介质基片为硅基片或蓝宝石基片。