CN117055694B - 一种滤波系统和量子计算机 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种滤波系统和量子计算机，涉及量子信息领域，所要解决的技术问题是如何滤除由于室温端到低温段巨大的温度差从而形成的高频噪声，所述滤波系统设置在稀释制冷机内靠近量子芯片的位置上，所述滤波系统包括模块化热沉结构、信号输入接口、信号输出接口、连接在所述信号输入接口和所述信号输出接口之间的至少一个滤波模块，所述至少一个滤波模块设置在所述模块化热沉结构内部；所述至少一个滤波模块用于对通过所述信号输入接口所接收的调控信号进行滤波处理，并将滤波后的调控信号传输至所述量子芯片。这样，可以在保证为稀释制冷机内增加的热负载在其制冷功率内的前提下，降低调控信号传输电路的热噪声和耦合的高频噪声。

Description

一种滤波系统和量子计算机

技术领域

本公开涉及量子信息领域，更具体地，涉及一种滤波系统和量子计算机。

背景技术

在基于半导体量子点的量子计算研究中，需要将量子芯片放置在极低的温度下，来降低热扰动对储存在量子芯片上的量子信息的影响。一个基于半导体量子点的量子计算机可以分为三个层级：经典层、经典-量子交互接口、量子层。经典层由经典计算机及运行在该层的程序组成，负责产生调控量子芯片的调控信号，经典-量子交互接口负责将调控信号尽可能无损的传输至量子层，量子层为基于半导体量子点的量子芯片，负责量子信息处理。

经典-量子交互接口中一种常见的噪声是由于室温端到低温段巨大的温度差从而形成的高频噪声，这些高频噪声会提升量子芯片的电子温度，从而降低调控线缆的信噪比，使待测信号淹没在噪声中，增加量子信息在处理过程中丢失的概率。在进行量子计算过程中，经典层设备需要对量子芯片进行精密的量子态调控。因此要求调控线缆中噪声尽可能小，调控线缆的信噪比尽可能的高，以提升量子态调控的保真度。

因此，有必要提出一种用于经典-量子交互接口的极低温滤波系统，来滤除调控线缆上的高频噪声。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种至少能够解决上述技术问题之一的新技术方案。

根据本公开的第一方面，提供了一种滤波系统，所述滤波系统设置在稀释制冷机内靠近量子芯片的位置上，所述滤波系统包括模块化热沉结构、信号输入接口、信号输出接口、连接在所述信号输入接口和所述信号输出接口之间的至少一个滤波模块，所述至少一个滤波模块设置在所述模块化热沉结构内部；

所述至少一个滤波模块用于对通过所述信号输入接口所接收的调控信号进行滤波处理，并通过所述信号输出接口将滤波后的调控信号传输至所述量子芯片。

可选的，所述至少一个滤波模块包括RC滤波模块，所述RC滤波模块包括第一连接器、第二连接器、至少一个RC滤波器和第一电路板，所述第一连接器、所述第二连接器、所述RC滤波器均设置在所述第一电路板上，所述至少一个RC滤波器串联连接在所述第一连接器和所述第二连接器之间。

可选的，所述RC滤波模块还包括LC滤波器，所述LC滤波器设置在所述第一电路板上，且所述LC滤波器与所述至少一个RC滤波器串联连接在所述第一连接器和所述第二连接器之间。

可选的，所述至少一个滤波模块包括LC滤波模块，所述LC滤波模块包括第三连接器、第四连接器、至少一个LC滤波器和第二电路板，所述第三连接器、所述第四连接器、所述至少一个LC滤波器均设置在所述第二电路板上，所述至少一个LC滤波器串联连接在所述第三连接器和所述第四连接器之间。

可选的，所述至少一个滤波模块包括铜粉滤波模块，所述铜粉滤波模块包括第五连接器、第六连接器和第三电路板，所述第三电路板包括基板、印制在所述基板上且连接在所述第五连接器和所述第六连接器之间的铜线、及涂覆在所述铜线上的混合物，所述混合物由环氧树脂和铜粉组成。

可选的，所述混合物还由铁粉或不锈钢粉组成。

可选的，所述模块化热沉结构包括底板和顶盖，所述至少一个滤波模块设置在所述底板和所述顶盖之间，所述底板上设置有与每一滤波模块对应的槽位，以将对应的滤波模块放置在对应的槽位中。

可选的，所述至少一个滤波模块的尺寸相同，所述底板上与每一滤波模块对应的槽位的尺寸相同。

根据本公开的第二方面，提供了一种量子计算机，包括经典计算机、稀释制冷机、设置在所述稀释制冷机内部的量子芯片、以及根据本公开第一方面所述的滤波系统。

可选的，所述模块化热沉结构与稀释制冷机内靠近所述量子芯片的混合腔室固定在一起。

通过本公开的实施例，将滤波系统设置在稀释制冷机内靠近量子芯片的位置上，并将滤波系统中的滤波模块设置在模块化热沉结构内部，可以在保证为稀释制冷机内增加的热负载在其制冷功率内的前提下，降低调控信号传输电路的热噪声和耦合的高频噪声。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且连同其说明一起用于解释本公开的原理。

图1示出了本公开一个实施例的滤波系统的示意图；

图2示出了本公开一个实施例的滤波系统的框图；

图3示出了本公开一个实施例的RC滤波模块的示意图；

图4示出了本公开一个实施例的RC滤波器的电路示意图；

图5示出了本公开一个实施例的LC滤波模块的示意图；

图6示出了本公开一个实施例的LC滤波器的电路示意图；

图7示出了本公开一个实施例的铜粉滤波模块的示意图；

图8示出了本公开一个实施例的模块化热沉结构的示意图；

图9示出了本公开一个实施例的模块化热沉结构的底板的示意图；

图10示出了本公开一个实施例的模块化热沉结构的顶盖的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

<滤波系统>

本公开提供了一种滤波系统，如图1和图2所示，滤波系统1000设置在稀释制冷机2000内靠近量子芯片3000的位置上。滤波系统1000包括模块化热沉结构1100、信号输入接口1200、信号输出接口1300、连接在信号输入接口1200和信号输出接口1300之间的至少一个滤波模块，至少一个滤波模块设置在模块化热沉结构1100内部。

至少一个滤波模块用于对通过信号输入接口1200所接收的调控信号进行滤波处理，并通过信号输出接口1300将滤波后的调控信号传输至量子芯片3000。

目前典型的稀释制冷机，其内部调控线缆长度达到数米，在工作时，该稀释制冷机外界温度为300K，而内部样品所处的位置温度只有10mK。调控线缆的一端与处在300K的经典层仪表连接，调控线缆的另一端处在10mK的量子芯片连接，由于两端温差以及稀释制冷机自身产生的噪声会耦合在调控线缆上，本实施例通过设置滤波系统，可以明显滤除耦合的噪声。

在本实施例中，量子芯片通常是设置在稀释制冷机最内部的腔室内，滤波系统在布置时尽可能的靠近量子芯片，而稀释制冷机内最靠近量子芯片的混合腔室的制冷功率只有毫瓦级别，任何加入的额外部件都会增加热负载，因此，本实施例通过设置模块化热沉结构，可以保证在稀释制冷机的降温过程中至少一个滤波模块所产生的热量能够被快速导走。

通过本公开的实施例，将滤波系统设置在稀释制冷机内靠近量子芯片的位置上，并将滤波系统中的滤波模块设置在模块化热沉结构内部，可以在保证为稀释制冷机内增加的热负载在其制冷功率内的前提下，降低调控信号传输电路的热噪声和耦合的高频噪声。

在本实施例中，信号输入接口1200可以是通过双绞线与经典层的调控设备连接，调控设备通过双绞线传输调控信号。此外，信号输入接口1200与滤波模块之间、至少一个滤波模块之间、滤波模块与信号输出端口1300之间，均通过双绞线连接。双绞线的外部可以通过银线包裹，以降低滤波系统的热负载，提高热传导效率。其中，双绞线的线数可以根据不同稀释制冷机类型进行调整，例如，双绞线线数可以为48。

进一步地，信号输出接口可以是通过金丝绑定线与量子芯片连接。

再进一步地，信号输入接口1200和信号输出端口1300可以均为微型-D连接器。

在本公开的一个实施例中，至少一个滤波模块包括RC滤波模块1400，如图3所示，RC滤波模块1400可以包括第一连接器1410、第二连接器1420、至少一个RC滤波器1430和第一电路板1440，第一连接器1410、第二连接器1420、至少一个RC滤波器1430均设置在第一电路板1440上，至少一个RC滤波器1430串联连接在第一连接器1410和第二连接器1420之间。

在本实施例中，第一连接器1410和第二连接器1420可以是配合使用的连接器，以便于实现多个RC滤波模块1400的级联。例如，第一连接器1410可以是微型-D连接器母头，第二连接器1420可以是微型-D连接器公头；再例如，第一连接器1410可以是微型-D连接器公头，第二连接器1420可以是微型-D连接器母头。

进一步地，每个RC滤波器1430可以是由板对板连接器1460压接并通过螺丝固定在第一电路板1440上。

在一个实施例中，RC滤波器1430可以是由电容1431、1432和电阻1433组成的如图4所示π型滤波电路，电容1431、1432分别连接在电阻1433的一端和接地端GND之间。其中，电容1431、1432可以选用C0G温度系数的型号，电阻1433可以选用薄膜电阻，以降低温度变化对容值阻值的影响。不同RC滤波器中的电容和电阻可以选用不同值。

在一个例子中，RC滤波模块1400可以包括三级RC滤波器1430，第一级RC滤波器1430可以滤除225MHz以上频率的噪声，第二级RC滤波器1430可以滤除10kHz以上频率的噪声，第三级RC滤波器1430可以滤除100Hz以上频率的噪声。

进一步地，如图3所示，RC滤波模块1400还可以包括LC滤波器1450，LC滤波器1450也设置在第一电路板1410上，且LC滤波器1450与至少一个RC滤波器1430串联连接在第一连接器1410和第二连接器1420之间。

在本实施例中，RC滤波模块1400的第一阶滤波器可以灵活配置为RC滤波器1430或LC滤波器1450。

LC滤波器1450可以是由电容和电感组成的π形网络实现，电容具有隔直通交的特性，信号频率越高，越容易通过电容；而电感具有隔交通直的特性，信号频率越高，则越难通过电感。由于滤波系统用在直流调控线缆上，因此，可以是将电感设置在主干道上，将电容设置在旁路上与滤波系统的接地端连接，通过这样的结合方式可以将高频噪声滤除，而直流信号则完全不受影响。

在本实施例中，RC滤波模块1400的第二阶滤波器和第三阶滤波器可以是RC滤波器1430，RC滤波器1430中电容和电阻构成的系统极点为1/RC，其中，R为RC滤波器1430中电阻的阻值，C为RC滤波器1430中电容的容值。频率超过极点以上的信号幅值将以20dB/Dec的速度衰减，因此，通过调整RC滤波器1430中电容和电阻的值可以起到对不同频率噪声信号滤除的作用。

在本实施例中，可以是将RC滤波模块分为三阶，每一阶设置不同截止频率，可以更好的抑制噪声，为量子芯片提供纯净的直流调控信号。

在本公开的一个实施例中，至少一个滤波模块包括LC滤波模块1500，如图5示，LC滤波模块1500包括第三连接器1510、第四连接器1520、至少一个LC滤波器1530和第二电路板1540，第三连接器1510、第四连接器1520、至少一个LC滤波器1530均设置在第二电路板1540上，至少一个LC滤波器1530串联连接在第三连接器1510和第四连接器1520之间。

在本实施例中，第三连接器1510和第四连接器1520可以是配合使用的连接器，以便于实现多个RC滤波模块1400的级联。例如，第三连接器1510可以是微型-D连接器母头，第四连接器1520可以是微型-D连接器公头；再例如，第三连接器1510可以是微型-D连接器公头，第四连接器1520可以是微型-D连接器母头。

进一步地，每个LC滤波器1530可以是由板对板连接器1550压接并通过螺丝固定在第二电路板1540上。

在一个实施例中，LC滤波器1530可以是由电容1531、1532和电感1533组成的如图6所示π型滤波电路。其中，电容1531、1532可以选用C0G温度系数的型号，电感1533可以选用陶瓷衬底的射频电感，以降低温度变化对容值感值的影响。不同LC滤波器中的电容和电感可以选用不同值。

在本实施例中，电容具有隔直通交的特性，信号频率越高，越容易通过电容；而电感具有隔交通直的特性，信号频率越高，则越难通过电感。由于滤波系统用在直流调控线缆上，因此，可以是将电感设置在主干道上，将电容设置在旁路上与滤波系统的接地端连接，通过这样的结合方式可以将高频噪声滤除，而直流信号则完全不受影响。

在一个例子中，LC滤波器1530可以包括三级LC滤波器1530，第一级LC滤波器1530可以滤除225MHz以上频率的噪声，第二级LC滤波器1530可以滤除1750MHz以上频率的噪声，第三级LC滤波器1530可以滤除5000MHz以上频率的噪声。

LC滤波模块1500中，每个LC滤波器1530的截止频率不相同，从而实现更好的对噪声的抑制作用，同时防止前级滤除掉的噪声再次耦合进入调控线缆。

在本公开的一个实施例中，至少一个滤波模块包括铜粉滤波模块1600，如图7所示，铜粉滤波模块1600包括第五连接器1610、第六连接器1620和第三电路板1630，第三电路板包括基板、印制在基板上且连接在第五连接器1610和第六连接器1620之间的铜线、及涂覆在铜线上的混合物，混合物由环氧树脂和铜粉组成。

在本实施例中，第五连接器1610和第六连接器1620可以是配合使用的连接器，以便于实现多个铜粉滤波模块1600的级联。例如，第五连接器1610可以是微型-D连接器母头，第六连接器1620可以是微型-D连接器公头；再例如，第五连接器1610可以是微型-D连接器公头，第六连接器1620可以是微型-D连接器母头。

具体的，可以是刻蚀出第三电路板表面的铜线，再在铜线上涂覆环氧树脂与铜粉组成的混合物。

高频信号在导线表面传输时由于趋肤效应会逐渐集中在导线的表面，而直流调控信号则集中在导线中部。因此，高频噪声信号在流经铜粉滤波器时衰减更大，从而保证了对高频噪声信号的滤除。

进一步地，混合物还包括铁粉或不锈钢粉。

由于高频噪声具有趋肤效应，因此可以被铜粉与铁粉或不锈钢粉的混合物吸收，达到去除1GHz以上高频噪声的作用。

在本公开的一个实施例中，第一连接器、第三连接器、第五连接器可以相同，第二连接器、第四连接器、第六连接器可以相同，这样，可以实现RC滤波模块、LC滤波模块和铜粉滤波模块的任意组合连接。例如，在滤波系统包括三级滤波模块的情况下，至少一个滤波模块可以包括三级RC滤波模块，或者，至少一个滤波模块可以包括一级LC滤波模块、两级RC滤波模块，或者，至少一个滤波模块可以包括三级LC滤波模块，或者，至少一个滤波模块可以包括以及一级RC滤波模块、一级LC滤波模块、一级铜粉滤波模块。

在一个例子中，可以是设置滤波系统的第一级滤波模块为RC滤波模块，第二级滤波模块为LC滤波模块，第三级滤波模块为铜粉滤波模块。

耦合到调控线缆上的噪声可能的来源包括：室温端到冷端温差形成的热噪声，调控过程中使用的高频信号串扰，直流信号源内部噪声，以及1/f噪声。这些噪声分布在不同的频率范围内，因此，通过RC滤波模块、LC滤波模块、铜粉滤波模块的级联，RC滤波模块主要负责滤除1kHz以上的噪声信号，LC滤波模块主要负责滤除225MHz以上噪声信号，铜粉滤波器主要负责滤除1GHz以上的噪声信号，以保证滤波系统对高频噪声有最大程度的抑制作用，保证可以有效降低电子温度，使其不受高能光子干扰。同时又可以提高调控线缆上的信噪比，提升信号质量。

通过本实施例，可以根据稀释制冷机内部调控线缆数量，安装不同滤波模块，在稀释制冷机内部调控线缆的数量变更之后，只需要更换滤波模块即可。比如稀释制冷机内部有24根调控线缆在升级至48根的情况下，只需要更换之前的24路滤波模块为48路滤波模块即可，无需更换整个滤波系统。可以根据实际需求来设置相应截止频率的滤波模块、设置相应数量的滤波模块。

此外，滤波系统中多级级联滤波模块的设计，采用多级极点的方式在直流至射频这一超宽频谱范围内实现噪声抑制，通过模块化设计可以灵活设置各级滤波模块的截止频率，以在宽频带范围上提供噪声抑制。

在本公开的一个实施例中，如图8所示，模块化热沉结构1100包括底板1110和顶盖1120，至少一个滤波模块设置在底板1110和顶盖1120之间，底板1110上设置有与每一滤波模块对应的槽位，以将对应的滤波模块放置在对应的槽位中。

在本实施例中，可以是采用三明治结构设计，模块化热沉结构的顶盖1120和底板1110将至少一个滤波模块夹在中间，通过M2螺丝孔1114与无磁螺丝紧锁在一起。全包裹的热沉结构可以是采用纯度为99.95%的无氧铜制成，表面镀金，在增强表面平整度，提升散热效率的同时，还对内部的各滤波模块中的电路板起到了电磁屏蔽的作用，避免了磁输运过程中常见的磁场对滤波效果的影响。模块化热沉结构的顶盖主要可以起到完全包裹住滤波模块中电路板的作用，这样可以最大化模块化热沉结构的散热效果，减小稀释制冷机的热负载。

如图9所示，底板1110中设置有与每一滤波模块对应的槽位1111，与信号输入接口对应的槽位1112、与信号输出接口对应的槽位1113、M2螺丝孔1114、M3螺丝槽1115。由上述的RC滤波模块和LC滤波模块可知，不同阶的滤波模块截止频率不同。通过多个分立得到槽位，将不同级数的滤波模块进行隔离，可以最大程度地减小不同截止频率的滤波模块之间的干扰。

M2螺丝孔1114采用M2螺丝将顶盖1120、底板1110、各滤波模块的电路板装配在一起。考虑到该M2螺丝工作在极低温度下，同时低温实验涉及磁场的存在，因此该M2螺丝需采用热导率极好的材料，同时需使用无磁螺丝，以增大滤波系统和稀释制冷机的热接触面积，在稀释制冷机降温过程中可以有效将滤波系统产生的热量导出。

整个模块化热沉结构可以是通过M3螺丝槽1115与稀释制冷机的混合腔室固定在一起，起到最大化滤波系统和稀释制冷机的接触面积的作用，有利于滤波系统散热，减轻稀释制冷机的热负载。

如图10所示，顶盖1120中也包括M2螺丝孔1121，用于固定顶盖1120与底板1110。

在本公开的一个实施例中，顶盖和底板在垂直方向上设有螺丝孔，同时可以在垂直空间上堆叠多个滤波模块，可以有效节约稀释制冷机内部的空间，适配大部分主流的稀释制冷机。日后有升级需求可以直接更换内部的滤波模块，不需要更换热沉结构。

在本公开的一个实施例中，至少一个滤波模块的尺寸相同，底板1110上与每一滤波模块对应的槽位的尺寸相同。

通过本实施例，可以根据实际采用的量子芯片、稀释制冷机，实现至少一个滤波模块的任意组合，提高滤波系统的可拓展性。

在本公开的一个实施例中，至少一个滤波模块可以包括至少一组滤波模块，同一组的滤波模块可以是串联连接在信号输入接口和信号输出接口之间，至少一组滤波模块可以是并联连接在信号输入接口和信号输出接口之间。

进一步地，每一组中滤波模块的数量可以相同，也可以不同，在此不做限定。

再进一步地，对于同一组的滤波模块，在底板上对应的槽位不同。对于不同组的滤波模块，在底板上对应的槽位可以相同，也可以不同。具体的，可以是不同组位于相同次序的滤波模块，在底板上对应的槽位相同。

本公开还提供了一种量子计算机，该量子计算机可以包括经典计算机、稀释制冷机、设置在稀释制冷机内部的量子芯片、以及前述任一实施例所述的滤波系统。

进一步地，模块化热沉结构可以是与稀释制冷机内靠近量子芯片的混合腔室固定在一起。

这样，可以起到最大化滤波系统和稀释制冷机的接触面积的作用，有利于滤波系统散热，减轻稀释制冷机的热负载。

上述各实施例主要重点描述与其他实施例的不同之处，但本领域技术人员应当清楚的是，上述各实施例可以根据需要单独使用或者相互结合使用。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种滤波系统，其特征在于，所述滤波系统设置在稀释制冷机内靠近量子芯片的位置上，所述滤波系统包括模块化热沉结构、信号输入接口、信号输出接口、连接在所述信号输入接口和所述信号输出接口之间的至少一个滤波模块，所述至少一个滤波模块设置在所述模块化热沉结构内部；

所述至少一个滤波模块用于对通过所述信号输入接口所接收的调控信号进行滤波处理，并通过所述信号输出接口将滤波后的调控信号传输至所述量子芯片；

所述模块化热沉结构包括底板和顶盖，所述至少一个滤波模块设置在所述底板和所述顶盖之间，所述底板上设置有与每一滤波模块对应的槽位，以将对应的滤波模块放置在对应的槽位中；所述至少一个滤波模块的尺寸相同，所述底板上与每一滤波模块对应的槽位的尺寸相同。

2.根据权利要求1所述的滤波系统，其特征在于，所述至少一个滤波模块包括RC滤波模块，所述RC滤波模块包括第一连接器、第二连接器、至少一个RC滤波器和第一电路板，所述第一连接器、所述第二连接器、所述RC滤波器均设置在所述第一电路板上，所述至少一个RC滤波器串联连接在所述第一连接器和所述第二连接器之间。

3.根据权利要求2所述的滤波系统，其特征在于，所述RC滤波模块还包括LC滤波器，所述LC滤波器设置在所述第一电路板上，且所述LC滤波器与所述至少一个RC滤波器串联连接在所述第一连接器和所述第二连接器之间。

4.根据权利要求1所述的滤波系统，其特征在于，所述至少一个滤波模块包括LC滤波模块，所述LC滤波模块包括第三连接器、第四连接器、至少一个LC滤波器和第二电路板，所述第三连接器、所述第四连接器、所述至少一个LC滤波器均设置在所述第二电路板上，所述至少一个LC滤波器串联连接在所述第三连接器和所述第四连接器之间。

5.根据权利要求1所述的滤波系统，其特征在于，所述至少一个滤波模块包括铜粉滤波模块，所述铜粉滤波模块包括第五连接器、第六连接器和第三电路板，所述第三电路板包括基板、印制在所述基板上且连接在所述第五连接器和所述第六连接器之间的铜线、及涂覆在所述铜线上的混合物，所述混合物由环氧树脂和铜粉组成。

6.根据权利要求5所述的滤波系统，其特征在于，所述混合物还由铁粉或不锈钢粉组成。

7.一种量子计算机，其特征在于，包括经典计算机、稀释制冷机、设置在所述稀释制冷机内部的量子芯片、以及根据权利要求1至6中任一项所述的滤波系统。

8.根据权利要求1所述的量子计算机，其特征在于，所述模块化热沉结构与稀释制冷机内靠近所述量子芯片的混合腔室固定在一起。