CN115913207A - 超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机 - Google Patents
超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115913207A CN115913207A CN202111153614.XA CN202111153614A CN115913207A CN 115913207 A CN115913207 A CN 115913207A CN 202111153614 A CN202111153614 A CN 202111153614A CN 115913207 A CN115913207 A CN 115913207A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- superconducting
- transmission line
- radio frequency
- line
- quantum
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 176
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims abstract description 45
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 44
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims description 22
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 4
- 238000010791 quenching Methods 0.000 abstract description 6
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 27
- 239000000306 component Substances 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 9
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 4
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 4
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000007735 ion beam assisted deposition Methods 0.000 description 2
- -1 ion traps Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005040 ion trap Methods 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- VIKNJXKGJWUCNN-XGXHKTLJSA-N norethisterone Chemical compound O=C1CC[C@@H]2[C@H]3CC[C@](C)([C@](CC4)(O)C#C)[C@@H]4[C@@H]3CCC2=C1 VIKNJXKGJWUCNN-XGXHKTLJSA-N 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
- 238000007738 vacuum evaporation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
本申请公开了一种超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机，属于量子信息领域，尤其是量子计算技术领域。所述超导射频开关包括：形成于基板上的射频信号传输线，射频信号传输线包括输入线、输出线，及一端与输入线连接、且另一端与输出线连接的超导纳米传输线，超导纳米传输线的临界温度为15K以下；以及形成于基板上的供电传输线，供电传输线用于将超导纳米传输线的两端连接直流源；且直流源的状态包括：输出电流超过超导纳米传输线的临界电流的第一状态，及输出电流低于临界电流的第二状态。本申请的超导射频开关通过直流源提供施加在超导纳米传输线上的电流来调控超导纳米传输线所处于的超导状态、失超状态进而实现信号传输的开和关。
Description
技术领域
本申请属于量子信息领域，尤其是量子计算技术领域，特别地，本申请涉及一种超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机。
背景技术
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。作为量子计算机核心部件的超导量子芯片工作于稀释制冷机的极低温区，通常只有几开甚至几毫开，为了便于对量子芯片上的各个比特进行测量和控制，还需要将在常温区工作的信号测量和控制系统与量子芯片建立通信连接。随着比特数量的增加，建立通信连接的信号通道数量也随之增加。为缓解比特数量剧增带来的布线压力，在信号测量和控制系统至量子芯片的信号传输路径引入了射频开关以便于从信号测量和控制系统引出的一路信号通道可以为量子芯片的多个端口提供信号。
目前，常见的射频开关为GaAs/InGaAs半导体射频开关，但是该开关通常工作温度为-40℃～+85℃，而量子计算通常需工作在4K(-269℃)温区，常规的射频开关在该低温下稳定性的差，容易自激震荡，失效风险较高。
目前亟需提出一种可以满足量子计算需求的开关电路。
发明创造内容
为解决现有的射频开关在低温下工作时稳定性差的问题，本申请提供一种适于在超导量子芯片工作温区进行工作的射频信号开关，以解决现有技术中的不足，具体的，在本申请中提供了一种超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机。
本申请的第一个方面提供了一种超导射频开关，它包括：
形成于基板上的射频信号传输线，所述射频信号传输线包括输入线、输出线，及一端与所述输入线连接、且另一端与所述输出线连接的超导纳米传输线，所述超导纳米传输线的临界温度为15K以下；以及
形成于所述基板上的供电传输线，所述供电传输线用于将所述超导纳米传输线的两端连接直流源；且所述直流源的状态包括：输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流的第一状态，及输出电流低于所述临界电流的第二状态。超导纳米传输线的两端连接直流源，直流源用于提供施加在所述超导纳米传输线上的电流，通过调整直流源所处于的状态是第一状态还是第二状态来调控所述超导纳米传输线的状态在超导状态和失导状态中切换进而实现所述射频信号传输线在传输射频信号时的开和关状态的切换。
如上所述的超导射频开关，所述直流源的输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流时，所述超导纳米传输线失超，且失超后，所述超导纳米传输线的阻抗超过预设阻抗以确保所述超导纳米传输线的阻抗失配程度较高，预设阻抗可以为1000Ω及大于1000Ω的任一值。
如上所述的超导射频开关，所述直流源的输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流时，所述超导纳米传输线失超，且失超后，所述超导纳米传输线的隔离度超过预设隔离度以确保实现射频信号开关功能，预设隔离度可以为50dB及大于50dB的任一值。
如上所述的超导射频开关，所述超导纳米传输线的临界电流密度为不超过10MA/cm2。
如上所述的超导射频开关，所述超导纳米传输线的材质为包含金属元素和非金属元素的超导化合物，示例性的，所述超导纳米传输线的材质可以为TaN或NbN。
如上所述的超导射频开关，所述射频信号传输线还包括位于所述输入线和所述超导纳米传输线之间的第一阻抗变换电路，以及位于所述超导纳米传输线和所述输出线之间的第二阻抗变换电路。
如上所述的超导射频开关，所述第一阻抗变换电路、所述第二阻抗变换电路均为阻抗变换线。
如上所述的超导射频开关，所述阻抗变换线为1/4波长阻抗变换线。
如上所述的超导射频开关，所述输入线和所述第一阻抗变换电路之间以及所述输出线和所述第二阻抗变换电路之间通过电容耦合。
如上所述的超导射频开关，所述电容为平行板电容。
如上所述的超导射频开关，所述平行板电容包括部分所述输入线、部分所述第一阻抗变换电路，以及位于部分所述输入线和部分所述第一阻抗变换电路之间的绝缘介质层。
如上所述的超导射频开关，所述供电传输线对射频信号形成全反射。
如上所述的超导射频开关，所述供电传输线为非超导的金属，或者为临界转变电流高于所述临界电流的超导材质。
本申请的第二个方面提供了一种量子计算集成组件通过在量子芯片与信号测量和控制系统之间设置超导射频开关，将信号测量和控制系统的一个信号通道对应量子芯片的多个端口，可以减少传输线数量。具体的，所述量子计算集成组件包括:
量子芯片，所述量子芯片上形成有多个量子比特及信号端口，所述信号端口用于接收针对各所述量子比特的量子态调控信号或量子态读取信号，或用于输出针对所述量子态读取信号的反馈信号；
信号测量和控制系统，用于生成针对各所述量子比特的量子态调控信号和量子态读取信号，及采集针对所述量子态读取信号的反馈信号；以及
如上所述的超导射频开关，所述输入线通过第一组传输线与所述信号测量和控制系统连接，所述输出线通过第二组传输线与所述量子芯片连接，所述第一组传输线和所述第二组传输线传输的信号类型相同且为所述量子态调控信号、所述量子态读取信号、所述反馈信号中之一，且所述第一组传输线所具有的传输线数量小于所述第二组传输线所具有的传输线数量。
如上所述的量子计算集成组件，所述第一组传输线具有1条传输线。
本申请的第三个方面提供了一种量子计算机，它包括如上所述的超导射频开关，或包括如上所述的量子计算集成组件。
与现有技术相比，本申请提供的超导射频开关适于在低温下实现对射频信号传输通断的控制，它包括在基板上形成的射频信号传输线包括输入线、输出线，及一端与所述输入线连接、且另一端与所述输出线连接的超导纳米传输线，所述超导纳米传输线的临界温度为15K以下；以及，在基板上形成的供电传输线以将该超导纳米传输线接入直流源，所述直流源的状态包括：输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流的第一状态，及输出电流低于所述临界电流的第二状态，因而通过调整直流源的输出电流，即可将该超导纳米传输线上的电流在超过临界电流、低于临界电流两种状态间切换，超导纳米传输线上的电流低于临界电流时，该超导纳米传输线处于超导态，而超导纳米传输线上的电流超过临界电流时，该超导纳米传输线处于非超导态(即电阻态)，进而实现对该超导纳米传输线处于超导态、非超导态的切换，从而实现在低温工作环境下对射频信号传输通断的控制。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一组量子芯片上量子比特的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种超导体系的量子芯片的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种超导射频开关的结构示意图；
图4为图3中A的放大示意图；
图5为本申请实施例提供的量子计算集成组件的示意图。
附图标记说明：
1-接地层，2-介质层，3-射频信号传输线，4-供电传输线，
31-输入线，311-第一输入线，312-第二输入线，32-输出线，321-第一输出线，322-第二输出线，33-第一阻抗变换线，34-第二阻抗变换线，35-超导纳米传输线，36-第一金膜，37-第二金膜，
41-第一供电传输线，42第二供电传输线，43-第三金膜，44-第四金膜。
具体实施方式
以下详细描述仅是说明性的，并不旨在限制实施例和/或实施例的应用或使用。此外，无意受到“背景技术”或“发明创造内容”部分或“具体实施方式”部分中呈现的任何明示或暗示信息的约束。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，现在参考附图描述一个或多个实施例，其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
另外，应该理解的是，当层(或膜)、区域、图案或结构被称作在衬底或基板、层(或膜)、区域和/或图案“上”时，它可以直接位于另一个层或衬底(或基板)上，和/或还可以存在插入层。另外，应该理解，当层被称作在另一个层“下”时，它可以直接位于另一个层下，和/或还可以存在一个或多个插入层。另外，可以基于附图进行关于在各层“上”和“下”的指代。
根据构建量子比特所采用的不同物理体系，量子比特在物理实现方式上包括超导量子电路、半导体量子点、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、光子等。超导量子计算是目前进展最快最好的一种固体量子计算实现方法。由于超导量子电路的能级结构可通过外加电磁信号进行调控，电路的设计定制的可控性强。同时，得益于现有的成熟集成电路工艺，超导量子电路具有多数量子物理体系难以比拟的可扩展性。
图1为本申请实施例提供的一种量子芯片上量子比特的结构示意图。
目前，量子比特的结构常采用对地的电容，及一端接地、另一端与该电容连接的超导量子干涉装置，并且该电容通常被构建为十字型平行板电容，参见图1所示，十字型电容板Cq被接地平面(GND)包围，且十字型电容板Cq与接地平面(GND)之间具有间隙，超导量子干涉装置squid的一端连接至十字型电容板Cq，另一端连接至接地平面(GND)，并且十字型电容板Cq的第一端通常用于连接超导量子干涉装置squid，第二端用于与读取谐振腔耦合，第一端和第二端的附近需要预留一定的空间用于布线，例如，第一端的附近需预留布置XY信号传输线和Z信号传输线的空间，十字型电容板Cq的另外两端用于与相邻量子比特耦合，这种结构的量子比特便于一维链排布。
图2为本申请实施例提供的一种超导体系的量子芯片的结构示意图。
结合图2所示，量子芯片上集成有多个一一对应的且相互耦合的量子比特和读取谐振腔，各读取谐振腔远离对应量子比特的一端均连接至集成设置在量子芯片上的读取信号传输线，各量子比特均耦合连接有XY信号传输线和Z信号传输线。XY信号传输线用于接收量子态调控信号，Z信号传输线用于接收磁通量调控信号，磁通量调控信号包括偏置电压信号和/或脉冲偏置调控信号，所述偏置电压信号和所述脉冲偏置调控信号均可以对所述量子比特的频率进行调控，读取信号传输线用于接收读取探测信号和发射读取反馈信号。
量子计算的执行过程，参见如下简述：利用Z信号传输线上的磁通调控信号将量子比特的频率调整到工作频率，此时通过XY信号传输线施加量子态调控信号对处于初始态的量子比特进行量子态调控，采用读取谐振腔读取调控后的量子比特的量子态。具体的，通过读取信号传输线施加载频脉冲信号，通常称之为量子态读取信号或读取探测信号，该量子态读取信号通常是频率为4-8GHz的微波信号，通过解析读取信号传输线输出的与该量子态读取信号对应的反馈信号确定量子比特所处于的量子态。读取谐振腔能够读取量子比特的量子态的根本原因是量子比特的不同量子态对读取谐振腔产生的色散频移是不一样的，进而使得量子比特的不同量子态对施加在读取谐振腔上的量子态读取信号具有不同的响应，该响应信号称为反馈信号或读取反馈信号。仅当量子比特的量子态读取信号的载频与读取谐振腔的固有频率(也叫谐振频率)非常靠近时，读取谐振腔才会因量子比特处于不同量子态对量子态读取信号的响应的明显差异，即反馈信号具有最大化的可区分度。基于此，通过解析一定脉冲长度的反馈信号确定量子比特所处于的量子态，例如，将每一次采集的反馈信号转换为正交平面坐标系(即I-Q平面坐标系)的一个坐标点，根据坐标点的位置确定对应的量子态是|0>态，还是|1>态，可以理解的是，|0>态、|1>态是量子比特的两个本征态。
作为量子计算机核心部件的量子芯片上集成了多个量子比特结构，以及用于调控和读取量子比特信息的电路结构。超导体系的量子芯片工作于稀释制冷机的极低温区，通常只有几开甚至几毫开，为了便于对量子芯片上的各个比特进行测量和控制，还需要将在常温区工作的信号测量和控制系统与量子芯片建立通信连接，例如，通过布置信号线缆将量子芯片的信号端口与该信号测量和控制系统的信号输出或输入线口对应连接。随着量子比特数量的增加，建立通信连接的信号通道数量也随之增加。为缓解量子比特数量剧增带来的布线压力，在信号测量和控制系统至量子芯片的信号传输路径引入了射频开关以便于从信号测量和控制系统引出的一路信号通道可以为量子芯片的多个端口提供信号。
图3为本申请实施例提供的一种超导射频开关的结构示意图。
结合图3所示，本申请提供一种超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机，以解决现有技术中的不足，它在基板上形成射频信号传输线3，并将射频信号传输线3中的一部分信号传输路径构建为超导纳米传输线35，超导纳米传输线35的两端利用供电传输线4连接直流源，直流源用于通过提供超过所述超导纳米传输线35的临界电流的电流施加在所述超导纳米传输线35上(即该直流源处于第一状态)及低于所述超导纳米传输线35的临界电流的电流施加在所述超导纳米传输线35上(即该直流源处于第二状态)的方式来调控所述超导纳米传输线35所处于的状态在超导状态和失超状态之间切换进而影响射频信号在射频信号传输线3上的传输，最终实现对射频信号传输线3上信号传输的开和关。
参见图3所示，本申请实施例提供的一种超导射频开关，包括形成于基板上的射频信号传输线3和形成于所述基板上的供电传输线4，其中：
所述射频信号传输线3包括输入线31、输出线32以及一端与所述输入线31连接、且另一端与所述输出线32连接的超导纳米传输线35，所述超导纳米传输线35的临界温度为15K以下，所述超导纳米传输线35与输入线31和输出线32的连接可以是直接连接也可以是通过其他电路结构间接连接，输入线31是用于将射频信号引入的电路结构，输出线32是用于将射频信号输出的电路结构，可以通过键合的方式将外部的信号线缆接头(例如，SMA或SMP接头)与该输入线31或该输出线32连接；
所述供电传输线4用于将所述超导纳米传输线35的两端连接直流源以确保直流源能够提供传输至所述超导纳米传输线35的输出电流；且所述直流源的状态包括：输出电流超过所述超导纳米传输线35的临界电流的第一状态，及输出电流低于所述临界电流的第二状态。
本申请实施例中的射频信号传输线3可以为共面波导传输线或者微带线结构形式，示例性的，在为微带线结构形式时，所述基板包括接地层1以及形成在接地层1上的介质层2，介质层2可以是氧化镁或二氧化硅等，示例性的，所述介质层2的第一个表面用于构建射频信号传输线3，与第一个表面相对的第二个表面形成有接地的金属层，即接地层1。
相比于现有技术，在本申请提供的实施例中，将射频信号传输线3中的一部分信号传输路径构建为上述的超导纳米传输线35，超导纳米传输线35的临界温度在15K以下，并通过形成的供电传输线4为该超导纳米传输线35连接直流源的两端，因而可以在低温工作环境(示例性的，稀释制冷机中的4K温区)下通过调整直流源输出至所述超导纳米传输线35的输出电流，即可将该超导纳米传输线35上的电流在超过临界电流、低于临界电流两种状态间切换，超导纳米传输线35上的电流低于临界电流时，该超导纳米传输线处于超导态，此时，该超导纳米传输线的电阻为零，而超导纳米传输线35上的电流超过临界电流时，该超导纳米传输线35处于非超导态(即电阻态)，进而实现对该超导纳米传输线35处于超导态、非超导态的切换，从而实现对射频信号传输通断的控制。
在本申请的一些实施方式中，所述直流源的输出电流超过所述超导纳米传输线35的临界电流时，所述超导纳米传输线35的阻抗超过预设阻抗，以使得所述超导纳米传输线35在失超后的阻抗变化大，阻抗失配程度较高，从而确保实现射频信号开关功能，示例性的，预设阻抗为1000Ω及大于1000Ω的任一值，以确保所述超导纳米传输线35的阻抗为1000Ω以上。
在本申请的另一些实施方式中，所述直流源的输出电流超过所述超导纳米传输线35的临界电流时，所述超导纳米传输线35的隔离度超过预设隔离度，隔离度变化大使得所述超导纳米传输线35在失超后射频信号的断开彻底，示例性的，预设隔离度可以为50dB及大于50dB的任一值，所述超导纳米传输线35的隔离度则超过50dB。
在本申请的一些实施方式中，所述超导纳米传输线35的临界电流密度为不超过10MA/cm2，示例性的，可选择为0～10M A/cm2中的任一值，利用临界电流密度低的超导纳米传输线35构建的射频开关的功耗低。在本申请的一些实施方式中，所述超导纳米传输线35的材质为包含金属元素和非金属元素的超导化合物，示例性的，在本申请的实施例中为TaN或NbN。在本申请的实施例中，可以根据传输的射频信号的频段、功耗等需要，改变TaN超导纳米传输线的长度和宽度，示例性的，TaN超导纳米传输线的厚度为100-250nm，宽度为100～1000nm，长度为2～20um，TaN超导纳米传输线的超导转变温度为7K左右，在非超导态时，该TaN超导纳米传输线的电阻高于1000欧姆，并且该TaN超导纳米传输线的临界电流小于50uA，功耗小于2.5mW，功耗远小于常规射频开关。
在本申请的一些实施例中，所述射频信号传输线3还包括位于所述输入线31和所述超导纳米传输线35之间的第一阻抗变换电路，以及位于所述超导纳米传输线35和所述输出线32之间的第二阻抗变换电路。示例性的，所述第一阻抗变换电路、所述第二阻抗变换电路均为阻抗变换线，结合图3所示，所述第一阻抗变换电路被构建为第一阻抗变换线33，所述第二阻抗变换电路被构建为第二阻抗变换线34，第一阻抗变换线33可以根据射频信号在所述输入线31和所述超导纳米传输线35之间传输时的阻抗匹配需要构建，第二阻抗变换线34均可根据射频信号在所述超导纳米传输线35和所述输出线32之间传输时的阻抗匹配需要构建。在本申请的一些示例中，所述第一阻抗变换线33和所述第二阻抗变换线34均为1/4波长阻抗变换线。
为了隔绝直流源，避免直流源输出的直流沿着输入线31和/或输出线32传输出去，本申请的一些实施例中构建了电容电路结构，该电容电路结构可以被构建在输入线31和输出线32上，也可以被构建在输入线31与射频信号传输线3上的其他电路结构的连接处以及输出线32与射频信号传输线3上的其他电路结构的连接处。为方便描述，记阻隔直流源输出的直流沿着输入线31传输出去的电容电路结构为第一电容，记阻隔直流源输出的直流沿着输出线32传输出去的电容电路结构为第二电容，第一电容和第二电容的电容电路结构的构建位置和结构形式不限于以上描述，只要确保供电传输线4与射频信号传输线3的连接处位于第一电容和第二电容之间即可。
在本申请的一些实施例中，该电容电路结构被构建在输入线31和输出线32上。下面结合输入线31上的第一电容进一步描述，结合图3和图4所示，输入线31被构建为包括第一输入线311和第二输入线312，第一输入线311用于将射频信号引入，第二输入线312的一端接收第一输入线上的射频信号，另一端将接收的射频信号输出并传输至所述超导纳米传输线35，部分第一输入线311和部分第二输入线312形成层叠，并且在层叠的部分第一输入线311和部分第二输入线312的两层之间形成有绝缘介质层313，形成的第一电容即包括部分第一输入线311、绝缘介质层313和部分第二输入线312三层层叠结构。相类似的，输出线32被构建为包括第一输出线321和第二输出线322，第二输出线322与所述超导纳米传输线35信号连接，第一输出线321用于将经第二输出线322传输过来的射频信号输出，部分第一输出线321和部分第二输出线322形成层叠，并且在层叠的部分第一输出线321和部分第二输出线322的两层之间形成有绝缘介质层，形成的第二电容即包括部部分第一输出线321、绝缘介质层和部分第二输出线322三层层叠结构。供电传输线4包括第一供电传输线41和第二供电传输线42，第一供电传输线41的一端与第二输入线312连接，第二供电传输线42的一端与第二输出线322连接，由此第一电容、第二电容即可确保直流源提供的直流电流不会流经第一输入线311、第一输出线321。
为了隔绝直流源，避免直流源输出的直流沿着输入线31和/或输出线32传输出去，在本申请的另一些实施例中，可选择的在所述输入线31和所述第一阻抗变换线33之间以及所述输出线32和所述第二阻抗变换线34之间通过电容耦合，供电传输线4与射频信号传输线3的连接处位于两电容耦合的电路结构之间。在一个实施例中，所述电容为平行板电容。示例性的，所述输入线31和所述第一阻抗变换线33之间电容耦合的电路结构包括部分所述输入线31、部分所述第一阻抗变换线33，以及位于部分所述输入线31和部分所述第一阻抗变换线33之间的绝缘介质层，所述输出线32和所述第二阻抗变换线34之间电容耦合的电路结构与此相类似。
在本申请的一些实施例中，所述供电传输线4对射频信号形成全反射，示例性的，所述供电传输线构建为高阻抗以避免射频信号沿着所述供电传输线4传输。示例性的，所述供电传输线4包括第一供电传输线41和第二供电传输线42，第一供电传输线41的一端与第二输入线312连接，第二供电传输线42的一端与第二输出线322连接，并且第一供电传输线41的另一端及第二供电传输线42的另一端分别与所述直流源的两极连接，以实现所述直流源为所述超导纳米传输线35提供直流电流。需要说明的是，所述直流源可以是恒流源、恒压源或者任一可以提供一定直流电流的电源组件，只要该电源组件所处的状态包括所述第一状态和所述第二状态即可，其中，第一状态为提供输出至所述超导纳米传输线35的输出电流超过所述超导纳米传输线35的临界电流的状态，第二状态为提供输出至超导纳米传输线35的输出电流低于所述临界电流的状态。
在本申请的一些实施例中，所述第一供电传输线41和所述第二供电传输线42均为非超导的金属，例如金，或者为临界转变电流高于所述临界电流的超导材质。
在本申请的一些实施例中，输入线31的输入端上形成有第一金膜36，输出线32的输出端上形成有第二金膜37，以及所述第一供电传输线41上用于与直流源连接的连接端上形成有第三金膜43，和所述第二供电传输线42上用于与直流源连接的连接端上形成有第四金膜44。
图5为本申请实施例提供的量子计算集成组件的示意图。
参见图5所示，并结合图1、图2、图3和图4，本申请实施例还提供了一种量子计算集成组件，包括:
量子芯片，所述量子芯片上形成有多个量子比特及信号端口，所述信号端口用于接收针对各所述量子比特的量子态调控信号或量子态读取信号，或用于输出针对所述量子态读取信号的反馈信号；
信号测量和控制系统，用于生成针对各所述量子比特的量子态调控信号和量子态读取信号，及采集针对所述量子态读取信号的反馈信号；以及
本申请上述实施例中提供的所述超导射频开关，所述输入线通过第一组传输线与所述信号测量和控制系统连接，所述输出线通过第二组传输线与所述量子芯片连接，所述第一组传输线和所述第二组传输线传输的信号类型相同且为所述量子态调控信号、所述量子态读取信号、所述反馈信号中之一，且所述第一组传输线所具有的传输线数量小于所述第二组传输线所具有的传输线数量。在本申请的一些实施例中，所述第一组传输线具有1条传输线。
在本申请实施例中，通过在量子芯片与该信号测量和控制系统之间设置超导射频开关，将信号测量和控制系统的一个信号通道对应量子芯片的多个端口，可以减少传输线数量，具体的，将第一组传输线中的传输线记为第一传输线，第二组传输线中的传输线记为第二传输线，一条第一传输线连接该信号测量和控制系统的一个信号通道，多条第二传输线对应连接量子芯片的多个端口，多条第二传输线的另一端均连接至超导射频开关组件，超导射频开关组件中包括多个所述超导射频开关以保证第二传输线与所述超导射频开关一一对应连接，第二传输线通过各自的超导射频开关与所述第一传输线连接，从而实现将该信号测量和控制系统的一个信号通道与量子芯片的多个端口对应，在本申请的实施例中可以将所述超导射频开关组件设置在距离量子芯片工作温区相邻或次相邻的温区以减少在稀释制冷机中的布线。
本申请实施例还提供了一种量子计算机，包括本申请实施例中提供的所述超导射频开关，或包括本申请实施例中提供的所述量子计算集成组件。
这里需要指出的是：以上量子计算机中的超导射频开关与上述超导射频开关实施例中的结构类似，且具有同上述超导射频开关实施例相同的有益效果；以上量子计算机中的量子计算集成组件与上述量子计算集成组件实施例中的结构类似，且具有同上述量子计算集成组件实施例相同的有益效果，因此，这里不做赘述。对于本申请量子计算机实施例中未披露的技术细节，本领域的技术人员请参照上述超导射频开关实施例的描述和上述量子计算集成组件实施例的描述而理解，为节约篇幅，这里不再赘述。
本申请实施例提供的超导射频的制造可能需要沉积一种或多种材料，例如超导体、电介质和/或金属。取决于所选择的材料，这些材料可以使用诸如化学气相沉积、物理气相沉积(例如，蒸发或溅射)的沉积工艺或外延技术以及其他沉积工艺来沉积，示例性的，包括离子束辅助沉积法(IBAD)、真空蒸发镀膜法(Evaporation)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、化学气相沉积法(CVD)、溶胶-凝胶法(sol-gel)以及磁控溅射镀膜法(Magnetron Sputtering)等。本申请实施例描述的一超导射频开关可能需要在制造过程期间从器件去除一种或多种材料。取决于要去除的材料，去除工艺可以包括例如湿蚀刻技术、干蚀刻技术或剥离(lift-off)工艺。可以使用已知的曝光(lithographic)技术(例如，光刻或电子束曝光)对形成本文所述的电路元件的材料进行图案化。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。
Claims (16)
1.一种超导射频开关，其特征在于，包括：
形成于基板上的射频信号传输线，所述射频信号传输线包括输入线、输出线，及一端与所述输入线连接、且另一端与所述输出线连接的超导纳米传输线，所述超导纳米传输线的临界温度为15K以下；以及
形成于所述基板上的供电传输线，所述供电传输线用于将所述超导纳米传输线的两端连接直流源；且所述直流源的状态包括：输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流的第一状态，及输出电流低于所述临界电流的第二状态。
2.根据权利要求1所述的超导射频开关，其特征在于，所述直流源的输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流时，所述超导纳米传输线的阻抗为1000Ω以上。
3.根据权利要求1所述的超导射频开关，其特征在于，所述直流源的输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流时，所述超导纳米传输线的隔离度超过50dB。
4.根据权利要求1所述的超导射频开关，其特征在于，所述超导纳米传输线的临界电流密度不超过10MA/cm2。
5.根据权利要求1-4任一项所述的超导射频开关，其特征在于，所述超导纳米传输线的材质为TaN或NbN。
6.根据权利要求1所述的超导射频开关，其特征在于，所述射频信号传输线还包括位于所述输入线和所述超导纳米传输线之间的第一阻抗变换电路，以及位于所述超导纳米传输线和所述输出线之间的第二阻抗变换电路。
7.根据权利要求6所述的超导射频开关，其特征在于，所述第一阻抗变换电路、所述第二阻抗变换电路均为阻抗变换线。
8.根据权利要求7所述的超导射频开关，其特征在于，所述阻抗变换线为1/4波长阻抗变换线。
9.根据权利要求6所述的超导射频开关，其特征在于，所述输入线和所述第一阻抗变换电路之间以及所述输出线和所述第二阻抗变换电路之间通过电容耦合。
10.根据权利要求9所述的超导射频开关，其特征在于，所述电容为平行板电容。
11.根据权利要求10所述的超导射频开关，其特征在于，所述平行板电容包括部分所述输入线、部分所述第一阻抗变换电路，以及位于部分所述输入线和部分所述第一阻抗变换电路之间的绝缘介质层。
12.根据权利要求1-4、6-11任一所述的超导射频开关，其特征在于，所述供电传输线对射频信号形成全反射。
13.根据权利要求1-4、6-11任一所述的超导射频开关，其特征在于，所述供电传输线为非超导的金属，或者为临界转变电流高于所述临界电流的超导材质。
14.一种量子计算集成组件，其特征在于，包括:
量子芯片，所述量子芯片上形成有多个量子比特及信号端口，所述信号端口用于接收针对各所述量子比特的量子态调控信号或量子态读取信号，或用于输出针对所述量子态读取信号的反馈信号；
信号测量和控制系统，用于生成针对各所述量子比特的量子态调控信号和量子态读取信号，及采集针对所述量子态读取信号的反馈信号；以及
权利要求1-13中任一项所述的超导射频开关，所述输入线通过第一组传输线与所述信号测量和控制系统连接，所述输出线通过第二组传输线与所述量子芯片连接，所述第一组传输线和所述第二组传输线传输的信号类型相同且为所述量子态调控信号、所述量子态读取信号、所述反馈信号中之一，且所述第一组传输线所具有的传输线数量小于所述第二组传输线所具有的传输线数量。
15.根据权利要求14所述的量子计算集成组件，其特征在于，所述第一组传输线具有1条传输线。
16.一种量子计算机，其特征在于，包括权利要求1-13中任一项所述的超导射频开关，或包括权利要求14-15任一所述的量子计算集成组件。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111153614.XA CN115913207B (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111153614.XA CN115913207B (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115913207A true CN115913207A (zh) | 2023-04-04 |
| CN115913207B CN115913207B (zh) | 2024-08-13 |
Family
ID=86495212
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111153614.XA Active CN115913207B (zh) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115913207B (zh) |
Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1284835A (zh) * | 1999-08-13 | 2001-02-21 | 日本电气株式会社 | 多层印刷电路板 |
| JP2002076454A (ja) * | 2000-08-24 | 2002-03-15 | Mitsubishi Electric Corp | 超電導装置 |
| DE10313156B3 (de) * | 2003-03-18 | 2004-12-16 | Siemens Ag | Schalter sowie Schaltverfahren für ein elektrisches Hochfrequenzsignal |
| JP2014017753A (ja) * | 2012-07-11 | 2014-01-30 | Mitsubishi Materials Corp | 積層チップ共振器及びこれを備えたアンテナ装置 |
| CN109217492A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-01-15 | 西南交通大学 | 一种超导磁体非接触供电装置 |
| CN109244610A (zh) * | 2018-09-13 | 2019-01-18 | 中国电子科技集团公司第十六研究所 | 一种可调双模滤波器 |
| CN109685216A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-04-26 | 清华大学 | 一种量子计算机 |
| CN208986143U (zh) * | 2018-09-13 | 2019-06-14 | 中国电子科技集团公司第十六研究所 | 一种可调双模滤波器 |
| CN110383422A (zh) * | 2017-03-07 | 2019-10-25 | 威斯康星州男校友研究基金会 | 基于二氧化钒的光学和射频开关 |
| US20200136612A1 (en) * | 2018-10-31 | 2020-04-30 | Raytheon Bbn Technologies Corp. | Superconducting microwave switch |
| CN111180848A (zh) * | 2020-02-19 | 2020-05-19 | 南京大学 | 用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置和方法 |
| CN111247741A (zh) * | 2017-10-19 | 2020-06-05 | 国际商业机器公司 | 无损微波开关 |
| CN111697939A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-09-22 | 中国电子科技集团公司第十六研究所 | 一种可重构带阻滤波器 |
| CN216086610U (zh) * | 2021-09-29 | 2022-03-18 | 合肥本源量子计算科技有限责任公司 | 超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机 |
-
2021
- 2021-09-29 CN CN202111153614.XA patent/CN115913207B/zh active Active
Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1284835A (zh) * | 1999-08-13 | 2001-02-21 | 日本电气株式会社 | 多层印刷电路板 |
| CN101448360A (zh) * | 1999-08-13 | 2009-06-03 | 日本电气株式会社 | 多层印刷电路板 |
| JP2002076454A (ja) * | 2000-08-24 | 2002-03-15 | Mitsubishi Electric Corp | 超電導装置 |
| DE10313156B3 (de) * | 2003-03-18 | 2004-12-16 | Siemens Ag | Schalter sowie Schaltverfahren für ein elektrisches Hochfrequenzsignal |
| JP2014017753A (ja) * | 2012-07-11 | 2014-01-30 | Mitsubishi Materials Corp | 積層チップ共振器及びこれを備えたアンテナ装置 |
| CN110383422A (zh) * | 2017-03-07 | 2019-10-25 | 威斯康星州男校友研究基金会 | 基于二氧化钒的光学和射频开关 |
| CN111247741A (zh) * | 2017-10-19 | 2020-06-05 | 国际商业机器公司 | 无损微波开关 |
| CN109244610A (zh) * | 2018-09-13 | 2019-01-18 | 中国电子科技集团公司第十六研究所 | 一种可调双模滤波器 |
| CN208986143U (zh) * | 2018-09-13 | 2019-06-14 | 中国电子科技集团公司第十六研究所 | 一种可调双模滤波器 |
| CN109217492A (zh) * | 2018-09-29 | 2019-01-15 | 西南交通大学 | 一种超导磁体非接触供电装置 |
| US20200136612A1 (en) * | 2018-10-31 | 2020-04-30 | Raytheon Bbn Technologies Corp. | Superconducting microwave switch |
| CN109685216A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-04-26 | 清华大学 | 一种量子计算机 |
| CN111180848A (zh) * | 2020-02-19 | 2020-05-19 | 南京大学 | 用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置和方法 |
| CN111697939A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-09-22 | 中国电子科技集团公司第十六研究所 | 一种可重构带阻滤波器 |
| CN216086610U (zh) * | 2021-09-29 | 2022-03-18 | 合肥本源量子计算科技有限责任公司 | 超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 蒋明明，王蕴仪，韩良: "直线法分析超导微带传输线", 电子学报, no. 03, 25 March 1995 (1995-03-25) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115913207B (zh) | 2024-08-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN216086610U (zh) | 超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机 | |
| US11271533B2 (en) | Wireless Josephson bifurcation amplifier | |
| CN215729853U (zh) | 一种量子芯片及一种量子计算机 | |
| WO2023226598A1 (zh) | 一种读取电路、读取方法及量子计算机 | |
| Dresselhaus et al. | 10 volt programmable Josephson voltage standard circuits using NbSi-barrier junctions | |
| KR20180004132A (ko) | 무선 조셉슨 파라메트릭 컨버터 | |
| KR102664372B1 (ko) | 큐비트용 파라메트릭 증폭기 | |
| EP2556538B1 (en) | Phase quantum bit | |
| CN111095306B (zh) | 用于超导量子计算的混合动态电感器件 | |
| SE519705C2 (sv) | En avstämbar ferroelektrisk resonatoranordning | |
| CN113261156B (zh) | 用于量子位驱动信号的衰减器 | |
| CN213934971U (zh) | 一种超导量子芯片结构 | |
| CN216286751U (zh) | 一种超导量子芯片及一种量子计算机 | |
| CN115438795B (zh) | 一种量子芯片及量子计算机 | |
| US5543386A (en) | Joint device including superconductive probe-heads for capacitive microwave coupling | |
| JP3071093B2 (ja) | 特性変調可能な超電導マイクロ波素子構造 | |
| CN115913207B (zh) | 超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机 | |
| Colangelo et al. | Compact and tunable forward coupler based on high-impedance superconducting nanowires | |
| US7774034B2 (en) | Signal switching device | |
| CN114692881A (zh) | 一种超导量子芯片结构 | |
| Yamamori et al. | Fabrication of voltage standard circuits utilizing a serial–parallel power divider | |
| CN218413512U (zh) | 一种量子芯片及量子计算机 | |
| CN219478462U (zh) | 一种超导电路及超导量子计算芯片 | |
| CN219499939U (zh) | 一种超导电路及超导量子计算芯片 | |
| CN217182384U (zh) | 一种微波开关和测试装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 230088 6th floor, E2 building, phase II, innovation industrial park, 2800 innovation Avenue, Hefei high tech Zone, Hefei City, Anhui Province Applicant after: Benyuan Quantum Computing Technology (Hefei) Co.,Ltd. Address before: 230088 6th floor, E2 building, phase II, innovation industrial park, 2800 innovation Avenue, Hefei high tech Zone, Hefei City, Anhui Province Applicant before: ORIGIN QUANTUM COMPUTING COMPANY, LIMITED, HEFEI |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |