CN112640198A - 用于量子微波电路的低温频散-电阻混合衰减器的封装和热化 - Google Patents

Abstract

一种混合微波衰减器通过形成电路及壳体而被构建。该电路具有两个端口，被配置为衰减输入信号(被发送信号)中的一些频率的电阻组件，以及被配置为衰减频率范围内的一些频率的频散组件。电阻组件和频散组件被布置成在电路的两个端口之间相对于彼此的串联配置。该壳体包括可封闭的结构，该电路位于该结构中，该结构是由展现出至少一个阈值水平的热导率的材料形成的，其中该阈值水平的热导率是在量子计算电路在其中工作的低温温度范围下实现的。该壳体还包括一对微波连接器，该对连接器热耦接到壳体。

Description

用于量子微波电路的低温频散-电阻混合衰减器的封装和 热化

技术领域

本发明一般涉及用于可与超导量子比特一起在量子计算中使用的微波频率衰减器壳体的设备、壳体设计方法和构造系统。更具体地，本发明涉及用于量子微波电路的低温频散-电阻混合衰减器的封装和热化的设备、方法和系统。

背景技术

在下文中，除非在使用时明确区分，否则短语的词中的“Q”前缀指示对该词或短语在量子计算上下文中的引用。

分子和亚原子粒子遵循量子力学的定律，量子力学是探索物理世界如何在最基本的水平上工作的物理分支。在这个水平，粒子以奇怪的方式运动，同时呈现多个状态，并且与非常远的其他粒子相互作用。量子计算利用这些量子现象来处理信息。

我们现在使用的计算机被称为经典计算机(这里也称为“传统”计算机或传统节点，或“CN”)。传统的计算机使用传统的处理器，该处理器使用半导体材料和技术、半导体存储器以及磁或固态存储设备来制造，这被称为冯诺依曼架构。特别地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。

量子处理器(q处理器)使用纠缠量子比特器件(在本文中被简洁地称为“量子比特”，多个“量子比特”)的奇数性质来执行计算任务。在量子力学工作的特定领域，物质的粒子可以以多种状态存在，例如“开”状态、“关”状态、以及同时“开”和“关”状态。在使用半导体处理器的二进制计算限于仅使用开和关状态(等同于二进制码中的1和0)的情况下，量子处理器利用这些物质的量子状态来输出可用于数据计算的信号。

传统计算机以比特对信息进行编码。每一比特可以取1或0的值，这些1和0用作最终驱动计算机功能的开/关开关。另一方面，量子计算机基于量子比特，量子比特根据量子物理学的两个关键原理来工作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子比特可以同时表示1和0。

纠缠意味着叠加中的量子比特可以以非经典方式彼此相关；即，一个的状态(是1或0或两者)可以取决于另一个的状态，并且当两个量子比特纠缠时比当它们被单独处理时有更多关于这两个量子比特的信息可以被确定。

使用这两个原理，量子比特作为更复杂的信息处理器来运行，使量子计算机能以允许它们解决使用传统计算机难以处理的难题的方式起作用。

已经成功地构建并证明了使用超导量子比特的量子处理器的可操作性(IBM是国际商业机器公司在美国和其它国家的注册商标)。

超导量子比特包括约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是通过用非超导材料分离两个薄膜超导金属层而形成的。当超导层中的金属例如通过将金属的温度降低到特定的低温温度变成超导时，电子对可以从一个超导层隧穿通过非超导层到另一个超导层。在量子比特中，约瑟夫逊结(其用作频散非线性电感器)与形成非线性微波振荡器的一个或多个电容器件并联电耦接。振荡器具有由量子比特电路中的电感和电容的值确定的共振/跃迁频率。除非在使用时明确地进行区分，否则对术语“量子比特”的任何引用是对采用约瑟夫逊结的超导量子比特电路的引用。

由量子比特处理的信息以微波频率范围内的微波信号/光子的形式被携带或发送。微波信号被捕获、处理和分析，以便解密被编码在其中的量子信息。读出电路是与量子比特耦接的电路，用于捕获、读取和测量量子比特的量子状态。读出电路的输出是可由q处理器使用以执行计算的信息。

超导量子比特具有两个量子状态-|0>和|1>。这两个状态可以是原子的两个能态，例如，超导人工原子(超导量子比特)的基态(|g>)和第一激发态(|e>)。其它示例包括原子核或电子自旋的自旋向上和自旋向下、晶体缺陷的两个位置、以及量子点的两个状态。由于系统具有量子特性，因此两个状态的任何组合都是允许的和有效的。

为了使用量子比特的量子计算是可靠的，量子电路(q-电路)(例如量子比特本身、与量子比特相关联的读出电路、以及量子处理器的其他部分)必须例如通过以任何显著的方式注入或耗散能量来不改变量子比特的能态，或者不影响量子比特的|0>与|1>状态之间的相对相位。对利用量子信息操作的任何电路的这种操作约束使得在制造用于这种电路中的半导体和超导结构时需要特别的考虑。

目前可用的超导量子电路是使用在低温(例如，在约10-100毫开尔文(mK)或约4K)下变为超导的材料形成的。用于控制，操作和测量量子电路的电子电路通常位于装有超导量子电路的稀释冰箱的外部。冰箱外部的温度通常为约300K(室温)。

目前可用的超导量子电路通常在微波频率范围内工作。微波信号/脉冲用于初始化、操纵、控制和测量超导q电路内的超导量子比特。为了在冰箱外部的外部电子电路与冰箱内部的超导量子电路之间传送这些微波信号，在稀释冰箱内部使用微波传输线。同轴线是可以承载这些微波信号的传输线的一个示例。

目前可用的稀释冰箱是低温设备，其可以用于将样品/器件冷却到毫开尔文温度。然而，从室温到冰箱内部的毫开尔文温度的转变不是突然的或陡峭的。为了促进温度转变和冷却操作，稀释冰箱由保持在不同环境温度的多个热隔离级(在本文中简洁地称为“级”，多个“级”)组成。例如，普通的商业稀释冰箱在冰箱内具有5个温度级40K、4K、0.7K、0.1K、0.01K(也称为基础级)。为了简化讨论，我们在下面关注在冰箱内部的输入线。为了维持冰箱内的不同级之间的温度差并且为了保护量子电路免受从输入线上下来的噪声的影响，通常使用有损耗的传输线来连接在两个连续级之间并且在这些线路的路径中在不同级处并入电阻衰减器和滤波器，其中，该噪声源自室温电子器件或更高级的黑体辐射或其它电磁噪声源。通常，组件用于多个目的：它们衰减/减少沿这些输入线下来的噪声，它们衰减/减少在这些线中传播的微波信号，它们提供各级之间的热绝缘，它们冷却传播通过它们的微波信号。

在穿过级的线路上传播的信号可包含噪声，尤其是电磁噪声。这种噪声可以在微波频谱或红外光谱中。由于本文所述的原因，当线路和信号涉及使用q电路的量子计算时，电子、微波和红外噪声是不期望的。

信号的衰减是在特定频率或频率范围处降低信号功率的过程。衰减器是具有两个端口的电子电路，其被配置为衰减在特定频率或频率范围处的输入信号/噪声。

电阻衰减器通过在衰减器的电阻组件中耗散信号和/或噪声的能量来衰减被发送信号和/或噪声。频散衰减器通过将其能量/功率的一部分从其进入的端口反射来衰减通过其两个端口的被发送信号/噪声。

说明性实施例认识到，商业上可用的标准微波衰减器是电阻的或频散的，但不是两者都有的。此外，示例性实施例认识到目前可用的电阻微波衰减器的某些缺点。例如，在大多数情况下，目前可用的电阻衰减器被形成为使得包围衬底的金属外壳是不锈钢，其具有差的热导性。另外，位于电阻衰减器的任一端口上的连接器的引脚机械地压靠在基板上的导体上，这产生了不良的热接触。基板被机械地推靠在金属壳体的主体上，这也产生了不良的热接触。此外，用于这些衰减器的衬底材料具有完全不理想的热导性。

说明性实施例还认识到，不利的是，当前可用的电阻衰减器中的衰减越低，衰减器的中心导体与由衰减器的金属外壳形成的衰减器的对应外部导体(例如，地)之间的热量和电阻越高。说明性实施例认识到现在，目前可用的电阻衰减器在宽频带范围内提供固定衰减，并且其衰减水平不能成为频率相关的(即，衰减水平相对于频率是固定的)。此外，目前可用的电阻衰减器消耗衰减器自身中的微波功率。这种吸收衰减可能具有多个不期望的结果：(1)它可以升高衰减器的温度，尤其是如果衰减器对于该级被不良地热化，导致穿过它的微波信号的冷却减少。(2)它可能升高该级的温度，特别是如果它具有许多衰减器和受限的冷却功率。(3)它可以产生朝向较低温度级的升高的黑体辐射。

说明性实施例也认识到目前可用的频散型商用微波衰减器的某些缺点。它们遭受与上述电阻衰减器类似的热化问题。此外，它们可能引起线路中的信号的多次反射，这进而可能引起微波脉冲/信号的失真、所测量的信号中的串扰和纹波。

说明性实施例认识到，为了使衰减器在低温环境中(尤其是具有量子计算设备的环境中)有效且可用，衰减器必须被屏蔽以免受微波干扰。微波干扰可以来自各种源；然而，说明性实施例认识到，衰减器的不良形成的壳体可能导致与通过衰减器传播的信号的显著微波干扰。例如，通过使信号反射发生在通过连接的线路中，线路中的该连接是微波干扰的贡献者。连接的数量越多，反射点和由连接引入的其他干扰的数量就越多。

说明性实施例认识到，微波屏蔽应结合稳健的热化来完成，使得衰减器与对应的冷藏级之间的温差最小化。一个结构到另一个结构的热化是构造和耦接两个结构的过程，使得耦接实现两个结构之间的至少阈值水平的热导率。良好的热化，即，其中热耦接结构之间的热导率超过所需热导率的阈值水平的热化。

示例性实施例认识到，目前可用的低温衰减器虽然适于在高达接近77开氏温度(K)的低温温度下工作，但是不适于与量子计算电路一起使用，量子计算电路在低于1开氏温度、低至2毫K的温度下工作。在量子计算电路工作的温度范围内，目前可用的低温衰减器展现基板、壳体和微波连接器的不良热导性。此外，目前可用的低温衰减器采用不同性别的微波连接器，这产生对性别转换适配器的需要。适配器又引起微波传输线中反射点数量的增加，并增加了需要冷却到毫K的附加热质量。

这些说明性实施例认识到，为了将衰减器用于量子处理器的控制线，应该将该衰减器嵌入到专门设计的壳体中，该壳体被热锚定到稀释冰箱级的不同部分上。在目前可用的低温衰减器中的这种热锚定即使在锚定中涉及成本和劳动增加的情况下，仍然不能实现期望的热化水平。需要用于量子微波电路的低温频散-电阻混合衰减器的封装和热化，其提供在量子处理器当前工作的温度下所需的热化水平，同时提供通过微波线路中被最小化的反射来改进的微波卫生。

因此，在本领域中需要解决上述问题。

发明内容

从第一方面来看，本发明提供了一种混合微波衰减器，其包括：具有两个端口的电路，所述电路包括：电阻组件，其被配置为衰减输入信号(被发送信号)中的多个频率；以及频散组件，其被配置为衰减频率范围内的第二多个频率，其中，所述电阻组件和所述频散组件被布置成在所述电路的所述两个端口之间相对于彼此的串联配置；以及壳体，所述壳体包括：可封闭结构，所述电路位于所述可封闭结构中，所述结构由展现至少阈值水平的热导率的材料形成，其中，所述阈值水平的热导率是在量子计算电路工作的低温温度范围达到的；以及一对微波连接器，所述一对连接器热耦接到所述壳体。

从另一方面来看，本发明提供了一种方法，包括：通过组装具有两个端口的电路来形成混合微波衰减器，所述电路包括：电阻组件，其被配置为衰减输入信号(被发送信号)中的多个频率；以及频散组件，其被配置为衰减频率范围内的第二多个频率，其中，所述电阻组件和所述频散组件被布置成在所述电路的所述两个端口之间相对于彼此的串联配置；以及形成壳体，所述壳体包括：可封闭结构，所述电路位于所述可封闭结构中，所述结构由展现至少阈值水平的热导率的材料形成，其中，所述阈值水平的热导率是在量子计算电路工作的低温温度范围达到的；以及一对微波连接器，所述一对连接器热耦接到所述壳体。

从另一方面来看，本发明提供了一种执行操作的制造系统，所述操作包括：通过组装具有两个端口的电路来形成混合微波衰减器，所述电路包括：电阻组件，其被配置为衰减输入信号(被发送信号)中的多个频率；以及频散组件，其被配置为衰减频率范围内的第二多个频率，其中，所述电阻组件和所述频散组件被布置成在所述电路的所述两个端口之间相对于彼此的串联配置；以及形成壳体，所述壳体包括：可封闭结构，所述电路位于所述可封闭结构中，所述结构由展现至少阈值水平的热导率的材料形成，其中，所述阈值水平的热导率是在量子计算电路工作的低温温度范围达到的；以及一对微波连接器，所述一对连接器热耦接到所述壳体。

示例性实施例提供了一种电子衰减设备。在一个实施例中，混合微波衰减器包括具有两个端口的电路，所述电路包括：电阻组件，其被配置为衰减输入信号(被发送信号)中的多个频率；以及频散组件，其被配置为衰减频率范围内的第二多个频率，其中，所述电阻组件和所述频散组件被布置成在所述电路的所述两个端口之间相对于彼此的串联配置。该实施例的衰减器还包括壳体，所述壳体包括：可封闭结构，所述电路位于所述可封闭结构中，所述结构由展现至少阈值水平的热导率的材料形成，其中，所述阈值水平的热导率是在量子计算电路工作的低温温度范围达到的；以及一对微波连接器，所述一对连接器在物理上并热耦接到所述壳体。

在另一实施例中，混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述频散组件还包括：由如下材料形成的电感元件：所述材料展现在所述温度范围中工作时小于阈值热能量吸收的热吸收，以及在所述温度范围中工作时所要求的大于阈值电导率的电导率。在另一个实施例中，温度范围由300开氏温度(K)和2K界定。

在另一个实施方案中，温度范围由2K和0.000001K界定。

在另一实施例中，混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述频散组件还包括：包括如下材料的电介质的电容元件：所述材料展现在所述温度范围中工作时小于阈值热能量吸收的热吸收，以及一对板，所述一对板在所述温度范围中工作时的电导率大于阈值电导率。

在另一实施例中，混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述频散组件还包括：由如下材料形成的衬底：所述材料展现在所述温度范围中工作时大于阈值热导率的热导率。

在另一实施例中，该对连接器中的每个连接器具有相同的性别。

在另一实施例中，该对连接器中的每个连接器被耦接到所述电路的所述两个端口中的一个端口。

在另一实施例中，混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，该对连接器由如下材料形成：所述材料展现在所述温度范围中工作时所要求的大于阈值热导率的热导率。

在另一个实施例中，混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述可封闭结构由如下材料形成：所述材料展现在所述温度范围中工作时大于阈值热导率的热导率。

实施例包括用于制造低噪声良好热化的混合微波衰减器的制造方法。

实施例包括用于制造低噪声良好热化的混合微波衰减器的系统。

附图说明

在所附权利要求中阐述了被认为是本发明的特性的新颖特征。然而，通过参考以下结合附图对说明性实施例的详细描述，将最好地理解本发明本身及其优选使用模式、进一步的目的和优点，其中：

图1描绘了根据说明性实施例的用于量子计算设备的输入线路调节的示例性配置的框图；

图2描述了根据说明性实施例的可用作混合衰减器中的组件的当前可用的电阻微波衰减器的示例；

图3描绘了根据说明性实施例的混合衰减器的一个示例配置；

图4描绘了根据说明性实施例的实现混合衰减器的示例电路；

图5描绘了混合衰减器示例的散射参数的微波仿真结果；

图6描绘了根据说明性实施例的混合衰减器的另一示例配置；

图7描绘了根据说明性实施例的实现混合衰减器的示例电路；

图8描绘了混合衰减器示例的散射参数的微波仿真结果；以及

图9描绘了根据说明性实施例的用于混合衰减器的示例封装或壳体的呈现。

具体实施方式

量子计算涉及可靠地读取单个光子量级的微波发射。低微波噪声环境将微波噪声限制到这样的阈值水平，以便允许可靠地读取单个光子量级的微波发射。用于描述本发明的示例性实施例一般地提出并解决了上述对低微波噪声和对主要在连接到q电路的输入线中衰减某些微波信号的热化良好的封装或壳体的需要。说明性实施例提供了用于量子微波电路的低温频散-电阻混合衰减器的这种封装和热化，这解决了上述需要或问题。

说明性实施例认识到，任何基于超导的量子架构的性能都严重依赖于超导量子比特本身的质量，其可以直接由测量相干时间来表征。这些时间强烈地依赖于处于量子计算电路工作的温度范围处的微波硬件的性能-不仅是量子比特本身，还是在微波线路中使用的衰减器和用于衰减器的壳体。为了增加相干时间，从而改进量子处理器的功能，所有微波组件、控制线、组件和封装都被设计用于微波噪声最小化并热化到量子计算可接受的热化水平。

通过在封装的制造中利用如本文所述的衰减器设计、封装设计、衰减器的制造材料和高热导率材料，说明性实施例允许微波组件的更好和更快的热化和更干净的微波信号吞吐量。首先参照几个附图介绍描述所提出的混合衰减器的各种设计的几个实施例。此后，介绍描述用于实施例的混合衰减器的低噪声良好热化封装的几个实施例。

这里描述的关于一个频率或多个频率发生的操作应当被解释为关于该频率或多个频率的信号发生。除非在使用时明确区分，否则对“信号”的所有引用是对微波信号的引用。

实施例提供了混合微波衰减器(在此可互换地称为“混合衰减器”)的配置，其展现电阻特性以及频散特性二者。另一实施例提供了用于混合衰减器的设计/构造方法，以使得该方法可以作为软件应用来实现。实现设计/构造方法实施例的应用程序可以被配置成与现有的电路制造系统(例如电路组装系统)协同工作。

为了描述的清楚，并且不暗示对其的任何限制，使用一些示例配置来描述说明性实施例。根据本公开，本领域的普通技术人员将能够构思出用于实现所述目的所述配置的许多变更、适应和修改，并且这些都被认为在示例性实施例的范围内。

此外，在附图和说明性实施例中使用示例电阻器、电感器、电容器和其它电路组件的简化图。在实际电路中，在不背离示例性实施例的范围的情况下，可以存在这里未示出或描述的附加结构或组件，或者与所示的结构或组件不同但具有这里描述的类似功能的结构或组件。

此外，仅作为示例，关于具体的实际或假设的组件来描述说明性实施例。由各种说明性实施例描述的步骤可以适于使用各种组件来制造电路，该组件可以被打算或重新打算以在混合衰减器内提供所描述的功能，并且这样的适应被预期在说明性实施例的范围内。

仅作为示例，关于某些类型的材料、电特性、步骤、数量、频率、电路、组件和应用来描述说明性实施例。这些和其它类似的人为因素的任何特定表现形式并不旨在限制本发明。可以在示例性实施例的范围内选择这些和其它类似人为因素的任何适当表现。

本公开中的示例仅用于清楚描述，而不是限制于说明性实施例。本文列出的任何优点仅是示例，并且不旨在限制说明性实施例。通过特定的说明性实施例可以实现附加的或不同的优点。此外，特定说明性实施例可具有上文所列优点中的一些、全部或不具有上文所列优点。

参考图1，该图描绘了根据说明性实施例的用于量子计算设备的输入线调节的示例配置的框图。配置100包括一组一个或多个稀释冰箱级102、104、……106。输入线108将外部电路连接到q电路110。假设线路108将微波信号传送到q电路110，信号S1是包括微波噪声的信号，该微波噪声将与信号S1一起衰减。信号Sn是到达q电路110的衰减信号。

一个实施例使得混合衰减器配置有级102-106中的一些而不是全部。另一实施例使得混合衰减器配置有级102-106中的每一级，如图1所示，例如，混合衰减器112被配置为与级102一起工作。混合衰减器112接收输入信号S1和来自该系列级中的后续级的反射信号SR2。混合衰减器112衰减来自(S1+SR2)信号的一个频率或频带以产生信号S2。

混合衰减器114被配置为与级104一起工作。混合衰减器114接收输入信号S2和来自该系列级中的后续级的反射信号SR3。混合衰减器114衰减来自(S2+SR3)信号的不同频率或频带以产生信号S3。以这种方式工作，级116(级n)使得混合衰减器116与其配置在一起。混合衰减器116从该系列级中的前一级接收输入信号Sn-1(以及如果q电路110被配置为反射任何信号频率则可能接收反射信号，未示出)。混合衰减器116衰减来自(Sn-1+任何反射频率)信号的不同频率或频带，以产生信号Sn，该信号Sn形成对q电路110的输入。

参考图2，该图描述了根据说明性实施例的可用作混合衰减器中的组件的当前可用的电阻微波衰减器的示例。电路200实现了示例性的10dB集总元件电阻衰减器，其使用端口1和2之间的T配置(即，中间通过一个电阻器接地的两个相等的串联电阻器)来形成。在微波工程术语中，S₁₂表示信号进入端口2并通过端口1离开(即，从端口2到1的传输)的散射参数。类似地，S₂₁表示信号进入端口1并通过端口2离开的散射参数。S₁₁和S₂₂分别表示进入端口1和2的信号的反射参数。

图202描绘了电阻衰减器200的散射参数的微波仿真结果。如在图202中可以看出的，通过设备的被发送信号(由散射参数S₂₁和S₁₂的幅度表示)在大带宽上衰减大约10dB。如反射参数S₁₁和S₂₂的可忽略幅度所示，该设备还在两个端口上与50欧姆良好匹配。这意味着几乎没有从设备端口的反射。被发送信号的损失能量作为电路200的电阻器内的热量而耗散。

参考图3，该图描述了根据说明性实施例的混合衰减器的一个示例配置。在该图中的示例配置(混合衰减器300的变型1)包括电阻衰减器302、低通滤波器304和高通滤波器306。在示例性实施例的范围内，可以以各种布置来布置组件。例如，一种布置可以是以所示顺序的304-302-306(即，低通滤波器304，接着是电阻衰减器302，接着是高通滤波器306)。其它布置可以是302-304-306、304-306-302、306-302-304、306-304-302，以及具有类似方式的其它可能的布置。

混合衰减器300是频散-电阻衰减器，并且可以实现为双端口集成电路。低通滤波器304是频散滤波器，用于滤出高于阈值频率的频带(并且使低于阈值频率的频带通过)。电阻衰减器302是以图2中的电阻衰减器200的方式工作的电阻或吸收式滤波器，高通滤波器306是频散滤波器，用于滤除低于阈值频率的频带(并且使高于阈值频率的频带通过)。根据一个实施例，电路组装系统在同一芯片或印刷电路板上形成并连接三个组件302、304和306。

参考图4，该图描绘了根据说明性实施例的实现混合衰减器的示例电路。组件402是实现电阻衰减器(即图3的组件302)的电阻元件，组件404是实现低通滤波器(即图3的组件304)的频散元件，组件406是实现高通滤波器(即图3的组件306)的频散元件。

组件402包括电阻器元件R1、R2和R3的如图2中的T配置。注意，对组件402和电阻器R1、R2和R3的描述是集总实现，即，组件402作为微波频带中的电阻衰减器的有效功能的表示。该组件的等效π配置(pi-configuration)存在，并且其可与所描述的非限制性示例配置互换。

如图所示，组件404包括电容元件C1和C2的π布置(pi-arrangement)，该电容元件在一侧耦接到地，即混合衰减器的外部导体，而在另一侧经由混合衰减器的中心导体耦接到电感元件L1。对组件404和元件C1、C2和L1的描述是集总实现，即，组件404作为微波频带中的低通滤波器的有效功能的表示。该示例示出了简单的一个单位单元(one-unit-cell)的低通滤波器。这种设计还涵盖了图4所示的简单低通滤波器被更复杂的低通滤波器所代替的情况，该更复杂的低通滤波器包括多个单位单元，并且其衰减、传输、带宽、截止频率和波纹特性被进一步或不同地优化。

如图所示，组件406包括电感元件L2和L3的π布置，电感元件在一侧耦接到地，即混合衰减器的外部导体，而在另一侧经由混合衰减器的中心导体耦接到电容元件C3。对组件406和元件L2、L3和C3的描述是集总实现，即，组件406作为微波频带中的高通滤波器的有效功能的表示。该示例示出了简单的一个单位单元的高通滤波器。这种设计还涵盖了图4所示的简单高通滤波器被更复杂的高通滤波器所代替的情况，该更复杂的高通滤波器由多个单元组成，并且其衰减、传输、带宽、截止频率和波纹特性被进一步或不同地优化。

在组件406中，混合衰减器的中心导体上的电容元件C3用作直流(DC)块，其可以用于消除冰箱中的接地回路的形成。这种接地回路是不期望的，因为它们会产生电子噪声。另外，电感元件L2和L3在混合衰减器的中心导体和外部导体之间提供了可忽略电阻的路径。与单独的电阻衰减器的情况相比，这种低电阻、电-热路径可显著改善混合衰减器的中心导体的热化，在单独的电阻衰减器的情况中，中心导体通过相当大的电-热电阻与地(衰减器壳体)热隔离。

为了促进低微波噪声、高热化或两者，各种实施例使用如本文所示和所述的集总元件以各种方式实现混合衰减器400的制造。一个实施例使用对晶元的衬底的半导体制造方法在单个芯片上制造组件402、404和406。另一个实施例使用电路组装方法在印刷电路板(PCB)上制造组件402、404和406，以集成电气和电子元件，从而在同一PCB上形成组件402、404和406。

为了形成组件402、404和406的集总元件实现，一个实施例使用展现至少100的剩余电阻比(RRR)以及高于在4开氏温度下的1W/(cm×K)热导率阈值水平的热导率的金属来制造电感器，例如电感元件L1、L2和/或L3。RRR是在室温和0K下材料的电阻率的比值。因为在实践中不能达到0K，所以使用4K下的近似值。此外，因为不同的级在不同的温度范围中工作，所以电感元件的材料选择也根据集总实现将在其中工作的级和热范围而在集总实现之间不同。可用于电感元件的金属的一些非限制性示例包括用于在300K至2K的温度范围中工作的铝和黄铜。可用于电感元件的金属的一些非限制性实例包括无氧高传导率铜、电解铜、金、铂或银，用于在2K至0.000001K的温度范围中工作。

为了形成组件402、404和406的集总元件实现，一个实施例使用展现至少100的RRR的电介质材料和高于在4开氏温度下的1W/(cm×K)的热导率阈值水平的热导率的板来制造电容器，例如电容元件C1、C2和/或C3。可用于电容元件的电介质的材料的一些非限制性示例包括氮化硅(SiN)、晶体硅和非晶硅。

为了形成组件402、404和406的集总元件实现，一个实施例使用电阻金属薄膜制造电阻器，例如电阻元件R1、R2和/或R3。在一个实施例中，薄膜的厚度低于阈值厚度，例如100nm，并且可用于形成薄膜电阻元件的金属的一些非限制性示例包括NiCr、TaNx(镍-铬、钽-硝酸盐)。

为了以上述方式之一制造混合衰减器400，实施例使用在低温下展现高热导率的衬底材料。在一个实施例中，在例如4-300K的温度范围中，衬底的热导率至少等于或大于热导率的阈值水平，例如在4开氏温度下的0.1W/(cm×K)。可用于形成衬底的材料的一些非限制性示例包括硅、砷化镓(GaAs)、蓝宝石、石英和熔融石英。

组件402、404和406的集总实现不旨在是限制性的。根据本公开，本领域的普通技术人员将能够例如使用附加的或不同的元件来设想针对所描绘的集总实现的许多其它实现方式以达到这里所示的集总实现的类似功能，并且这种实现方式在说明性实施例的范围内设想。

参考图5，该图描绘了混合衰减器示例的散射参数的微波仿真结果。混合衰减器电路是基于图4中展示的集总元件电路400，该混合衰减器电路的散射参数在图5中示出。具体地，在非限制性示例实现方式中，R1和R2各自被设置为27欧姆，R3被设置为36欧姆，L1被设置为3.18纳亨(nH)，C1和C2各自被设置为0.64皮法(pF)，L2和L3各自被设置为2.65nH，并且C3被设置为0.53pF。

在图5中，曲线502表示传输参数S₂₁和S₁₂，而曲线506和504分别表示反射参数S₁₁和S₂₂。曲线502示出了对于在超导量子比特频率范围(例如，3-5GHz)之上的被发送信号的显著衰减(例如，在7GHz下20dB)和之下的被发送信号的显著衰减(例如，在2GHz周围20dB)，同时允许在量子比特信号范围内的信号通过适度衰减(即，衰减大约10dB)。

参考图6，该图描述了根据说明性实施例的混合衰减器的另一示例配置。在该图中的示例配置(混合衰减器600的变型2)包括电阻衰减器602和带通(或带阻)滤波器604。在说明性实施例的范围内，可以以各种布置来布置组件。例如，一种布置可以是以如图所示的那种顺序的604-602(即，带通滤波器604，接着是电阻衰减器602)。其他布置可以是用于不同的频带的602-604、604-602-604，以及以类似方式的其他可能的布置。

混合衰减器600是频散-电阻衰减器，并且可以被实现为双端口集成电路。带通滤波器604是频散滤波器，以允许在两个阈值频率之间的频带(以及衰减/阻挡该通带之外的频率)。电阻衰减器602是以图3中的电阻衰减器302的方式工作的电阻或吸收式滤波器，根据一个实施例，电路组装系统在同一芯片或印刷电路板上形成两个组件602和604并将它们连接在一起。

参考图7，该图描绘了根据说明性实施例的实现混合衰减器的示例电路。组件702是电阻元件，其以类似于图3的组件302的方式实现电阻衰减器。组件704是频散元件，其实现带通滤波器，该带通滤波器代替图3的组件304和306并起到类似的作用。

组件702包括电阻器元件R4、R5和R6的如图2中的T配置。注意，对组件702和电阻器R4、R5和R6的描述是集总实现，即，组件702在微波频带中作为电阻衰减器的有效功能的表示。

组件704包括并联的电容元件L6和C6的配置，并在一侧耦接到地，即，混合衰减器的外部导体。如图所示，L6-C6在另一侧经由混合衰减器的内部导体耦接到L4-C4串联和L5-C5串联。对组件704和元件L4-L6和C4-C6的描述是集总实现，即，组件704作为微波频带中的带通滤波器的有效功能的表示。该示例示出了简单的一个单位单元的带通滤波器。这种设计还涵盖了图7所示的简单带通滤波器被更复杂的带通滤波器所代替的情况，该更复杂的带通滤波器包括多个单元，并且其衰减、传输、带宽、截止频率和波纹特性被进一步或不同地优化。

在组件704中，混合衰减器的内部导体上的电容元件C4和C5用作DC块，其可以用于消除冰箱中的接地回路的形成。这种接地回路是不期望的，因为它们会产生电子噪声。连接混合衰减器的中心导体和外部导体的电感元件L6提供了在混合衰减器的中心导体和外部导体之间的可忽略电阻的路径。与单独的电阻衰减器的情况相比，这种低电阻、电-热路径可显著改善混合衰减器的中心导体的热化，在单独的电阻衰减器的情况中，中心导体通过相当大的电-热电阻与地(衰减器壳体)热隔离。

为了促进低微波噪声、高热化或两者，各种实施例以与关于图4中的混合衰减器400描述的实施例类似的方式实现混合衰减器700的制造，一个实施例使用对晶元的衬底的半导体制造方法在单个芯片上制造组件702和704。另一实施例使用电路组装方法在印刷电路板(PCB)上制造组件702和704，以集成电气和电子元件，从而在同一PCB上形成组件702和704。

为了形成组件702和704的集总元件实现，一个实施例使用关于图4中的电感元件L1、L2或L3描述的材料和技术来制造电感器，例如电感元件L4、L5和/或L6。类似地，一个实施例使用关于图4中的电容元件C1、C2或C3描述的材料和技术来制造电容器，例如电容元件C4、C5和/或C6。一个实施例使用关于图4中的电阻元件R1、R2或R3描述的材料和技术来制造电阻器，例如电阻元件R4、R5和/或R6。当衬底被用于制造集总实现702和704时，实施例使用如关于图4所描述的衬底的材料。

组件702和704 406的集总实现不是限制性的。根据本公开，本领域的普通技术人员将能够例如使用附加的或不同的元件来设想针对所描绘的集总实现的许多其它实现方式以达到这里所示的集总实现的类似功能，并且这种实现方式在说明性实施例的范围内设想。

参考图8，该图描绘了混合衰减器示例的散射参数的微波仿真结果。混合衰减器电路是基于图7中展示的集总元件电路700，该混合衰减器电路的散射参数在图8中示出。具体地，在非限制性示例实现方式中，R4和R5各自被设置为27欧姆，R6被设置为36欧姆，L4和L5各自被设置为3.98nH，C4和C5各自被设置为0.398pF，L6被设置为0.497nH，并且C6被设置为3.18pF。

曲线804A和804B分别表示图7所示的示例混合衰减器配置的反射参数S₁₁和S₂₂，曲线804A展现在量子比特信号的频率范围之外显著的反射，该量子比特信号的频率范围大约为3到5GHz。而曲线804B展现在量子比特频率范围中与50欧姆(即，混合衰减器的外部端口的特性阻抗)的良好匹配。

曲线806表示图7所示的示例混合衰减器的传输参数S₂₁和S₁₂。曲线806示出了量子比特频率范围之上和之下的显著衰减。具有带通滤波器704配置的组件702在量子比特信号的范围中产生大约-10到-12分贝(dB)的低水平衰减，该量子比特信号在输入信号中是大约3到5GHz，因此以相对小的衰减通过量子比特信号，同时抑制量子比特范围外的噪声和信号。当量子门的持续时间随着更高功率的量子比特脉冲(例如，交叉共振门)而减小时，量子比特信号的这种适度衰减可能是有用的。

参考图9，该图描绘了根据说明性实施例的用于混合衰减器的示例封装或壳体的呈现。壳体900是用于低温电阻-频散混合衰减器的壳体的非限制性示例配置。壳体900展现相关级的高热化，最小化在通过容纳在其中的混合衰减器(不可见)连接的线路中微波反射的产生和引入，并且可在量子处理电路或其部分工作的一个或多个温度范围中使用。壳体900由高热导率材料形成，例如，展现满足或超过1瓦/开尔文-厘米的阈值热导率水平的热导率的材料。

壳体900包括基座902，其包括其中可以制造、设置或以其他方式安装混合衰减器的空间。壳体900还包括盖904。盖904被配置成完全覆盖基座902中的开口(未示出)，其中该开口可用于将衰减器安装到基座902中。盖904以这样的方式与基座902热紧固、夹紧或以其它方式热耦接，以使得基座902和盖904彼此被充分热化，即，基座902和盖904的组合在耦接在一起时处于相同的温度。

图9中描绘了将盖904紧固到基座902以用于量子计算温度范围中的可接受的热化的一个非限制性示例方式，由展现高于热导率阈值水平的热导率的材料制成的一个或多个螺钉906热接触盖904以及基座902以将盖904热化到基座902。黄铜是可用于制造螺钉906的材料的一个非限制性实例。用于热化的紧固的该示例不旨在是限制性的。根据本公开，本领域的普通技术人员将能够设想用于良好热化的许多其它紧固方法，并且在说明性实施例的范围内设想出这些方法。例如，代替螺钉906，可以使用热导粘结剂将盖904粘结到基座902，该热导粘结剂展现高于阈值热导率水平的热导率。

外壳900还包括连接器908和910。连接器908和910被特别配置用于微波频率范围内的信号的可用性。根据说明性实施例，连接器908和910被选择为具有相同的类型和性别。例如，连接器908和910都可以是母型的超小型A版(SMA)类型连接器，以使得将微波电缆连接到壳体900(从而连接到壳体900内的混合衰减器400或700)不需要性别转换适配器。使用相同类型和性别的连接器908和910因此最小化了微波信号反射，否则微波信号反射将由性别转换适配器引起。

此外，用于连接器908和910的材料或材料的组合应该展现高的热导率(高于阈值)以及高的电导率(高于阈值电导率或低于阈值电阻)。一种这样的非限制性材料组合是具有镀金的黄铜，以形成连接器908和910。在一个非限制性实施方案中，阈值电导率与在室温下测量的制造的电线中使用的铜或铜合金的电导率相当。

连接器908和910的类型、性别和材料组合的这些示例不是限制性的。根据本公开，本领域的普通技术人员将能够设想微波连接器的许多其它类型、性别和材料组合，并且在说明性实施例的范围内可以设想该微波连接器。例如，在示例性实施例的范围内，相同性别和具有适当材料或材料组合的微型同轴(MCX)或超小型同轴(MMCX)连接器，或许多其它类型的微波和射频连接器可以被形成并被用作连接器908和910。

此外，连接器908和910可以使用任何合适的紧固方式紧固到微波电缆。所描绘的非限制性示例示出了螺旋式螺纹连接器908和910，微波电缆的对应的公端可以被螺纹连接到其上。在不背离示例性实施例的范围的情况下，压配合或摩擦耦接型连接器可以用作连接器908和910，只要这种连接器具有相同的性别并且形成为满足本文所述的热导性和导电性要求。

在此参考相关附图描述本发明的各种实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以设计出替代实施例。尽管在以下描述和附图中阐述了元件之间的各种连接和位置关系(例如上方、下方、相邻等)，但是本领域技术人员将认识到，当即使取向被改变所描述的功能也被保持时，本文描述的许多位置关系是与取向无关的。除非另有说明，这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明并不旨在在这方面进行限制。因此，实体的耦接可以指直接或间接耦接，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接位置关系。作为间接位置关系的一个例子，本说明书中对在层“B”上形成层“A”的引用包括如下情况：一个或多个中间层(例如，层“C”)在层“A”与在层“B”之间，只要层“A”和层“B”的相关特性和功能基本上不被中间层改变。

以下定义和缩写用于解释权利要求和说明书。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变型旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括一系列元素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置不一定仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出的其他元素或者此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置固有的其他元素。

另外，术语“说明性”在本文中用于表示“充当示例、实例或说明”。在此描述为“说明性”的任何实施例或设计不一定被解释为比其它实施例或设计更优选或有利。术语“至少一个”和“一个或多个”被理解为包括大于或等于一的任何整数，即一、二、三、四等。术语“多个”应理解为包括大于或等于二的任何整数，即二、三、四、五等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。

说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以包括或者可以不包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合其它实施例来影响这种特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内的，而不管是否明确描述。

术语“大约”、“基本上”、“接近”及其变体旨在包括与基于提交本申请时可用的设备的特定量的测量相关联的误差度。例如，“大约”可以包括给定值的±8％或5％或2％的范围。

已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷举的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。本文所使用的术语被选择为最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所描述的实施例。

Claims (20)

1.一种混合微波衰减器，包括：

具有两个端口的电路，所述电路包括：

电阻组件，其被配置为衰减输入信号(被发送信号)中的多个频率；以及

频散组件，其被配置为衰减频率范围内的第二多个频率，其中，所述电阻组件和所述频散组件被布置成在所述电路的所述两个端口之间相对于彼此的串联配置；以及

壳体，所述壳体包括：

可封闭结构，所述电路位于所述可封闭结构中，所述结构由展现至少阈值水平的热导率的材料形成，其中，所述阈值水平的热导率是在量子计算电路工作的低温温度范围达到的；以及

一对微波连接器，所述一对连接器热耦接到所述壳体。

2.根据权利要求1所述的混合微波衰减器，其中，所述混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述频散组件还包括：

由如下材料形成的电感元件：所述材料展现在所述温度范围中工作时超过预定热导率阈值的热导率，以及在所述温度范围中工作时大于阈值电导率的电导率。

3.根据权利要求2所述的混合微波衰减器，其中，所述温度范围由300开氏温度(K)和2K界定。

4.根据权利要求2所述的混合微波衰减器，其中，所述温度范围由2K和0.000001K界定。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的混合微波衰减器，其中，所述混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述频散组件还包括：

包括如下材料的电介质的电容元件：所述材料展现在所述温度范围中工作时超过所要求的热导率阈值的热导率，以及

一对板，所述一对板在所述温度范围中工作时的电导率大于阈值电导率。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的混合微波衰减器，其中，所述混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述频散组件还包括：

由如下材料形成的衬底：所述材料展现在所述温度范围中工作时大于阈值热导率的热导率。

7.根据前述权利要求中任一项所述的混合微波衰减器，其中，所述一对连接器中的每个连接器具有相同的性别。

8.根据前述权利要求中任一项所述的混合微波衰减器，其中，所述一对连接器中的每个连接器被耦接到所述电路的所述两个端口中的一个端口。

9.根据前述权利要求中任一项所述的混合微波衰减器，其中，所述混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述一对连接器由如下材料形成：所述材料展现在所述温度范围中工作时大于阈值热导率的热导率。

10.根据前述权利要求中任一项所述的混合微波衰减器，其中，所述混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述可封闭结构由如下材料形成：所述材料展现在所述温度范围中工作时大于阈值热导率的热导率。

11.一种方法，包括：

通过组装具有两个端口的电路来形成混合微波衰减器，所述电路包括：

电阻组件，其被配置为衰减输入信号(被发送信号)中的多个频率；以及

频散组件，其被配置为衰减频率范围内的第二多个频率，其中，所述电阻组件和所述频散组件被布置成在所述电路的所述两个端口之间相对于彼此的串联配置；以及

形成壳体，所述壳体包括：

可封闭结构，所述电路位于所述可封闭结构中，所述结构由展现至少阈值水平的热导率的材料形成，其中，所述阈值水平的热导率是在量子计算电路工作的低温温度范围达到的；以及

一对微波连接器，所述一对连接器热耦接到所述壳体。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述频散组件还包括：

由如下材料形成的电感元件：所述材料展现在所述温度范围中工作时超过预定热导率阈值的热导率，以及在所述温度范围中工作时大于阈值电导率的电导率。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述温度范围由300开氏温度(K)和2K界定。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述温度范围由2K和0.000001K界定。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述频散组件还包括：

包括如下材料的电介质的电容元件：所述材料展现在所述温度范围中工作时超过预定热导率阈值的热导率，以及一对板，所述一对板在所述温度范围中工作时的电导率大于阈值电导率。

16.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述频散组件还包括：

由如下材料形成的衬底：所述材料展现在所述温度范围中工作时大于阈值热导率的热导率。

17.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述一对连接器中的每个连接器具有相同的性别。

18.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述一对连接器中的每个连接器被耦接到所述电路的所述两个端口中的一个端口。

19.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述混合微波衰减器被配置成在冷藏级的温度范围中工作，其中，所述一对连接器由如下材料形成：所述材料展现在所述温度范围中工作时大于阈值热导率的热导率。

20.一种执行操作的制造系统，所述操作包括：

通过组装具有两个端口的电路来形成混合微波衰减器，所述电路包括：

电阻组件，其被配置为衰减输入信号(被发送信号)中的多个频率；以及

频散组件，其被配置为衰减频率范围内的第二多个频率，其中，所述电阻组件和所述频散组件被布置成在所述电路的所述两个端口之间相对于彼此的串联配置；以及

形成壳体，所述壳体包括：

可封闭结构，所述电路位于所述可封闭结构中，所述结构由展现至少阈值水平的热导率的材料形成，其中，所述阈值水平的热导率是在量子计算电路工作的低温温度范围达到的；以及

一对微波连接器，所述一对连接器热耦接到所述壳体。

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