CN109037877A - 一种低温耦合器及超导量子芯片的测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温耦合器及超导量子芯片的测控方法，包括PCB板，PCB板包括基板，在基板上设置有多条信号通道，其中至少有一条信号通道为信号输入通道，其余为信号输出通道；多条信号通道相交，相交处形成信号节点；多条信号输出通道至少从节点出发的一段通道是以信号节点为中心，呈放射性均匀设置。相邻两条信号通道之间的夹角相同，保持每条信号通道的微带线和功能模块的位置一致，微带线系数一致，输入输出一致,以确保信号功率能按照比例分配。信号源发出的信号功率经过耦合器按一定比例分配到量子芯片中，合成后的信号能够完好地分配信号到量子芯片中，因而本应用方法能够满足前述量子芯片所需的在极低温下实现超导量子比特的信号分配。

Description

一种低温耦合器及超导量子芯片的测控方法

技术领域

本发明涉及量子比特的调控技术领域，具体来说是一种低温耦合器及超导量子芯片的测控方法。

背景技术

量子比特的调控依赖于高精度的模拟输入信号。对于超导量子比特而言，它所依赖的信号主要分为高频脉冲(4-8GHz频段)，中频脉冲(0.01-500MHz频段)，以及直流偏置信号(<1kHz)三类。在对超导量子比特进行操控时，我们不仅需要同时施加这三类脉冲信号，同时还需要在一个通道内合成以上信号，通常我们使用多端口耦合器件或者模块来完成信号的合成。考虑到脉冲信号的特性，耦合器件或者模块在合成信号的同时必须具备极高的端口阻抗匹配设计。无源多端口耦合器件的端口阻抗匹配性能一般较差，有时候需要使用复杂的有源模块来实现高质量的信号合成。

超导量子比特工作在30mK左右的极低温，以上三类信号进入包含超导量子比特的量子芯片之前，需要经过完全不同的低温线路优化，因而也只能在极低温进行合成。但是，针对以下应用情况，目前没有任何一种已知专利技术满足需求：在极低温下实现超导量子比特的中频脉冲与直流偏置信号合成的情况。

首先，有源的多端口耦合模块需要额外供电与提供信号输入，消耗功率巨大，无法在极低温环境中使用；其次，能够在极低温环境下稳定工作的无源多端口耦合器件，无法做到良好的端口阻抗匹配，会对中频脉冲信号产生严重的变形恶化。更一般情况下，现有的已知专利技术无法提供满足中频脉冲信号以及直流偏置信号完美合成的技术方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中缺乏在极低温下实现超导量子比特的中频脉冲与直流偏置信号合成的技术。

本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：

一种低温耦合器，包括PCB板，所述PCB板包括基板，在基板上设置有多条信号通道，基板上除多条信号通道以外的板面上设置有涂层；在所述基板上设置有多条信号通道，其中至少有一条信号通道为信号输入通道，其余为信号输出通道；多条信号通道相交，相交处形成信号节点；多条信号输出通道至少从节点出发的一段通道是以信号节点为中心，呈放射性均匀设置

优选的，每条信号通道包括元器件以及连接元器件的微带线；多条信号通道中的微带线长度、宽度相同，元器件阻值相同。

优选的，每条信号输出通道处于信号节点处的元器件通过微带线与信号输入通道处于信号节点处的元器件连接。

优选的，还包括低温纯元器件耦合器本体，低温纯元器件耦合器本体上开设有沉孔；所述PCB板固定在沉孔内；在所述沉孔的侧壁上水平开设有与信号通道数量相同的通孔，且多个通孔分别与多条信号通道的位置相对应；在所述通孔内固定有连接器；所述连接器固定在通孔内后，针芯与相对应的信号通道上的元器件连接；所述沉孔开口处盖合有盖子。

优选的，所述PCB板上设置有3条信号通道；3条通信通道呈T形结构布置；在所述沉孔的三个侧壁上分别开设所述通孔，三个通孔的中心延长线相交，夹角为120°。

优选的，盖子包括盖板和填充块；当所述盖板盖在本体上后，填充块嵌入沉孔内。

优选的，所述盖板为与本体截面相同的板体，在其至少两个侧面开设有限位槽，在所述本体相应的两个侧面设置有与限位槽限位配合的限位柱。

优选的，PCB板上设置有固定孔，所述本体上的沉孔底部有相对应的螺丝孔；所述沉孔侧壁上与固定孔对应的地方设置有容纳螺丝的让位。

优选的，所述本体处于通孔两侧开设有用于固定连接器的螺孔。

优选的，所述本体与盖子通过螺钉固定；在所述盖板上设置有用于容纳螺母的凹槽。

本发明还提供一种超导量子芯片的测控方法，该方法应用上述的耦合器；

先将所述耦合器的输入端口连接至一台信号源，耦合器的输出端口连接至量子芯片，然后将耦合器以及量子芯片均处于稀释制冷机内部低至30mK以下的极低温环境中。

本发明的优点在于：

1、能够在30mK以下的极低温环境稳定工作；

2、具有极小的功耗，不会引起发热；

3、工作频段完全满足超导量子比特所需的中频脉冲以及直流偏置信号的完美合成需求；

4、端口阻抗接近50欧姆，中频脉冲信号的脉冲波形不会受到恶化，直流偏置信号的幅度不会受到不可控降低；

5、多条信号输出通道以信号节点为中心，呈放射性均匀设置，以保证相邻两条信号通道之间的夹角相同，保持每条信号通道的微带线和功能模块的位置一致，微带线系数一致，输入输出一致,以确保信号功率能按照比例分配。信号源发出的信号功率经过耦合器按一定比例分配到量子芯片中，合成后的信号能够完好地分配信号到量子芯片中，因而本应用方法能够满足前述量子芯片所需的在极低温下实现超导量子比特的信号分配；

6、T型结构的布置方式，便于封装。

附图说明

图1为实施例1的爆炸结构示意图；

图2为实施例1另一角度的爆炸结构示意图；

图3为实施例1PCB板的结构示意图；

图4为实施例1电路原理及信号走向示意图；

图5为实施例1中的耦合器应用于超导量子芯片测控领域中的使用方法示意图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

实施例1

如图1、图2所示，一种低温耦合器，包括低温纯元器件耦合器本体1、PCB板2，低温纯元器件耦合器本体1上开设有沉孔11；PCB板上设置有固定孔，本体1上的沉孔11底部有相对应的螺丝孔12；沉孔11侧壁上与固定孔对应的地方设置有容纳螺丝的让位13，通过螺丝将PCB板2固定在沉孔11内。

如图3所示，PCB板2包括基板21，在基板21上设置有多条信号通道22，基本21处多条信号通道22以外的板面上设置有涂层，涂层为铜涂层。其中至少有一条信号通道22为信号输入通道，其余为信号输出通道；多条信号通道22相交，相交处形成信号节点23；多条信号输出通道以信号节点23为中心，呈放射性均匀设置。本实施例给出的PCB板2上设置有3条信号通道22；3条通信通道呈T形结构布置；在沉孔11的三个侧壁上分别开设通孔14，三个通孔14的中心延长线相交，夹角为120°。

在沉孔11的侧壁上水平开设有与信号通道22数量相同的通孔14，且多个通孔14分别与多条信号通道22的位置相对应；在通孔14内固定有连接器3；连接器3固定在通孔14内后，针芯与相对应的信号通道22上的元器件连接，本体1处于通孔14两侧开设有用于固定连接器3的螺孔15。

每条信号通道22包括元器件221以及连接元器件221的微带线222；多条信号通道22中的微带线222长度、宽度相同，元器件221阻值相同。每条信号输出通道处于信号节点23处的元器件221通过微带线222与信号输入通道处于信号节点23处的元器件221连接。

如图2所示，沉孔11开口处盖合有盖子4。盖子4包括盖板41和填充块42；当盖板41盖在本体1上后，填充块42嵌入沉孔11内。盖板41为与本体1截面相同的板体，在其至少两个侧面开设有限位槽411，在本体1相应的两个侧面设置有与限位槽411限位配合的限位柱16。本体1与盖子4通过螺钉固定；在盖板41上设置有用于容纳螺母的凹槽412。

本实施例中给出的本体1和盖板41均为铜质材料制成的器件，具有良好的散热性和无磁性。

如图4所示的是电路功能原理图，包括3个信号端口由1个输入端口和2个输出端口组成，和1个预处理功能模块和2个分配功能模块。当信号端口8的其中1个端口输入输入信号时，其他2个端口9自动变成输出端口，同时靠近输入端口的功能模块为预处理功能模块，其他2个靠近输出端口的功能模块为分配功能。

本实施例中，功能模块由高频薄膜电阻组成且每个功能模块中阻值相同，所以3个端口既可以作为输入也可以作为输出。进一步，功能模块中元器件221摆放的位置和方向保持高度一致，并且元器件221的连接方式和顺序同样保持高度一致。

本实施例中，当信号由输入端口8进入预处理功能模块时，进行信号的初次抑制调整。当信号流经信号节点23时根据分配功能模块中信号参数比例进行信号分配。

本实施例中采用50Ω的微带线222连接功能模块和连接器3。微带线222的线宽A为0.5mm，与附近的接触物保持一定的距离B为1mm，微带线222带线长度C为2.11mm，微带线222连接功能模块中的高频薄膜电阻元器件221的焊盘实现连接功能模块如图4所示距离E为3.12mm。

特别的，本实施例中输入信号由输入端口至功能模块前的距离F2.62mm与功能模块处理完到输出端口的距离一致数值。信号端口到预处理完信号的距离G预处理功能模块处理的信号至信号节点2311的距离与信号节点23至分配功能模块的距离也相同。同时输入端口到信号节点23的距离H4.15mm和信号节点23到输出端口的距离也相同。

本实施例中，信号节点23采用星形连接角度为120°，星形长度D为0.88mm。

本实施例中，功能模块中由高频薄膜电阻组成，电阻两端由微带线222连接位置限定在如图3所示，多条信号输出通道以信号节点23为中心，呈放射性均匀设置，以保证相邻两条信号通道之间的夹角相同，保持每条信号通道的微带线和功能模块的位置一致，微带线系数一致，输入输出一致,以确保信号功率能按照比例分配。

实施例2

如图5所示，一种超导量子芯片的测控方法，该方法应用上述实施例1中的耦合器；

先将所述耦合器的输入端口连接至一台信号源，耦合器的输出端口连接至量子芯片，然后将耦合器以及量子芯片均处于稀释制冷机内部低至30mK以下的极低温环境中。

在使用时，信号源发出的信号功率经过耦合器按一定比例分配到量子芯片中。从信号合成实例中可以看出，合成后的信号能够完好地分配信号到量子芯片中，因而本应用方法能够满足前述量子芯片所需的在极低温下实现超导量子比特的信号分配。

实施例3

信号合成：从三个端口中的任意一个端口施加一个方波信号，脉宽1000ns，占空比10％，上升时间10ns，幅值0.1V时，另外两个端口的波形输出为脉宽1000ns，占空比10％，幅值0.05V的方波，在方波上升沿和下降沿处会有轻微的过冲，过冲幅值不超过2％，持续时间90ns。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种低温耦合器，其特征在于：包括PCB板，所述PCB板包括基板，在基板上设置有多条信号通道，其中至少有一条信号通道为信号输入通道，其余为信号输出通道；多条信号通道相交，相交处形成信号节点；多条信号输出通道至少从节点出发的一段通道是以信号节点为中心，呈放射性均匀设置。

2.根据权利要求1所述的一种低温耦合器，其特征在于：每条信号通道包括元器件以及连接元器件的微带线；多条信号通道中的微带线长度、宽度相同，元器件阻值相同。

3.根据权利要求2所述的一种低温耦合器，其特征在于：每条信号输出通道处于信号节点处的元器件通过微带线与信号输入通道处于信号节点处的元器件连接。

4.根据权利要求3所述的一种低温耦合器，其特征在于：还包括低温纯元器件耦合器本体，低温纯元器件耦合器本体上开设有沉孔；所述PCB板固定在沉孔内；在所述沉孔的侧壁上水平开设有与信号通道数量相同的通孔，且多个通孔分别与多条信号通道的位置相对应；在所述通孔内固定有连接器；所述连接器固定在通孔内后，针芯与相对应的信号通道上的元器件连接；所述沉孔开口处盖合有盖子。

5.根据权利要求4所述的一种低温耦合器，其特征在于：所述PCB板上设置有3条信号通道；3条通信通道呈T形结构布置；在所述沉孔的三个侧壁上分别开设所述通孔，三个通孔的中心延长线相交，夹角为120°。

6.根据权利要求4至6任一所述的一种低温耦合器，其特征在于：盖子包括盖板和填充块；当所述盖板盖在本体上后，填充块嵌入沉孔内。

7.根据权利要求6所述的一种低温耦合器，其特征在于：所述盖板为与本体截面相同的板体，在其至少两个侧面开设有限位槽，在所述本体相应的两个侧面设置有与限位槽限位配合的限位柱。

8.根据权利要求4所述的一种低温耦合器，其特征在于：PCB板上设置有固定孔，所述本体上的沉孔底部有相对应的螺丝孔；所述沉孔侧壁上与固定孔对应的地方设置有容纳螺丝的让位。

9.根据权利要求6所述的一种低温耦合器，其特征在于：所述本体与盖子通过螺钉固定；在所述盖板上设置有用于容纳螺母的凹槽。

10.一种超导量子芯片的测控方法，其特征在于：该方法应用上述权利要9至10任一所述的耦合器；

先将所述耦合器的输入端口连接至一台信号源，耦合器的输出端口连接至量子芯片，然后将耦合器以及量子芯片均处于稀释制冷机内部低至30mK以下的极低温环境中。