CN117411450A - 超导阻抗变换参量放大器的确定方法、装置以及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超导阻抗变换参量放大器的确定方法、装置、超导阻抗变换参量放大器以及存储介质，方法包括：基于波长参数，增益参数和带宽参数，计算与超导阻抗变换参量放大器相匹配的阻抗变换线的阻抗值和放大器的电容值；基于阻抗变换线的阻抗值，计算超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的线宽尺寸；基于阻抗变换线的阻抗值和所述放大器的电容值，计算超导阻抗变换参量放大器所需要的短截线尺寸；基于线宽尺寸和短截线尺寸，确定超导阻抗变换参量放大器的结构，由此，可以实现提升导阻抗变换参量放大器的性能更好，将导阻抗变换参量放大器的损耗降低，同时使得导阻抗变换参量放大器的制造中，良品率更高。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术，尤其涉及一种超导阻抗变换参量放大器的确定方法、装置、超导阻抗变换参量放大器、电子设备以及存储介质。
背景技术
超导芯片上的量子比特(Qubit quantum bit)是量子态的载体，携带有量子信息。超导量子计算具有运行速度快的优点，得到人们广泛应用。超导量子芯片使用中，超导量子芯片处于极低温(<30mK)的环境下，受噪声影响大，并且从超导量子芯片输出的信号非常微弱，一般需要在输出端后级加多级放大器用以提高信号强度。目前商用的低温放大器一般工作在4K温度层，会带来极大的热噪声，而和超导量子芯片工作在同一温度层的约瑟夫森参量放大器具有极大的增益、不会引入额外噪声的优良特性，所以约瑟夫森参量放大器是做超导量子计算的必要器件。同时，通过阻抗变换器，使用附加电路实现环境阻抗与放大器阻抗之间更缓和过度，实现环境与参量振荡电路之间更大频谱范围的耦合。但是，约瑟夫森参量放大器和阻抗变换器由于结构复杂，组合而成的阻抗变换约瑟夫森参量放大器在加工过程中的良品率较低，增加了量子芯片的制作成本，同时由于对参数敏感，要求的电容较大，介电电容的插入损耗大，造成了阻抗变换约瑟夫森参量放大器的性能提升不足，功耗过高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种超导阻抗变换参量放大器的确定方法、装置、超导阻抗变换参量放大器以电子设备、计算机程序产品及存储介质，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种超导阻抗变换参量放大器的确定方法，所述方法包括：
根据量子芯片的使用环境，确定与超导阻抗变换参量放大器相匹配的中心波长参数，增益参数和带宽参数；
基于所述波长参数，所述增益参数和所述带宽参数，计算与所述超导阻抗变换参量放大器相匹配的阻抗变换线的阻抗值和放大器的电容值；
基于所述阻抗变换线的阻抗值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的线宽尺寸；
基于所述阻抗变换线的阻抗值和所述放大器的电容值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的短截线尺寸；
基于所述线宽尺寸和所述短截线尺寸，确定所述超导阻抗变换参量放大器的结构。
本发明实施例还提供了一种超导阻抗变换参量放大器的确定装置，所述装置包括：
信号传输模块，用于根据量子芯片的使用环境，确定与超导阻抗变换参量放大器相匹配的中心波长参数，增益参数和带宽参数；
仿真设计模块，用于基于所述波长参数，所述增益参数和所述带宽参数，计算与所述超导阻抗变换参量放大器相匹配的阻抗变换线的阻抗值和放大器的电容值；
所述仿真设计模块，用于基于所述阻抗变换线的阻抗值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的线宽尺寸；
所述仿真设计模块，用于基于所述阻抗变换线的阻抗值和所述放大器的电容值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的短截线尺寸；
所述仿真设计模块，用于基于所述线宽尺寸和所述短截线尺寸，确定所述超导阻抗变换参量放大器的结构。
上述方案中，
所述仿真设计模块，用于当所述阻抗变换线的阻抗值减小时，将所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的形状调整为弯曲状态。
上述方案中，
所述仿真设计模块，用于根据所述放大器的电容值，和所述超导阻抗变换参量放大器的中心频率，计算所述超导阻抗变换参量放大器的约瑟夫森结的室温电阻值，以达到测量量子比特状态的作用。
上述方案中，
所述仿真设计模块，用于为所述超导阻抗变换参量放大器配置接入泵浦信号的目标端口，以实现通过所述目标端口确定所述超导阻抗变换参量放大器的工作点。
本发明实施例还提供了一种超导阻抗变换参量放大器，所述超导阻抗变换参量放大器包括：
阻抗变换器和约瑟夫森参量放大器，所述阻抗变换器和约瑟夫森参量放大器集成在同一量子芯片中；
所述阻抗变换器包括：共面波导，所述共面波导的长度为中心频率的二分之一波长；
所述约瑟夫森参量放大器包括：短截线，所述短截线的长度与所述超导阻抗变换参量放大器的电容值相匹配。
本发明实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
存储器，用于存储可执行指令；
处理器，用于运行所述存储器存储的可执行指令时，实现前述的超导阻抗变换参量放大器的确定方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有可执行指令，所述可执行指令被处理器执行时实现前序的超导阻抗变换参量放大器的确定方法。
本发明实施例具有以下有益效果：
本发明通过根据量子芯片的使用环境，确定与超导阻抗变换参量放大器相匹配的中心波长参数，增益参数和带宽参数；基于所述波长参数，所述增益参数和所述带宽参数，计算与所述超导阻抗变换参量放大器相匹配的阻抗变换线的阻抗值和放大器的电容值；基于所述阻抗变换线的阻抗值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的线宽尺寸；基于所述阻抗变换线的阻抗值和所述放大器的电容值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的短截线尺寸；基于所述线宽尺寸和所述短截线尺寸，确定所述超导阻抗变换参量放大器的结构，由此，通过发明所提供的超导阻抗变换参量放大器的确定方法，不但可以实现提升导阻抗变换参量放大器的性能更好，将导阻抗变换参量放大器的损耗降低，同时利用超导阻抗变换参量放大器的结构，使得导阻抗变换参量放大器的制造中，良品率更好，降低制造成本，有利于超导量子芯片的大规模推广。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定方法的使用场景示意图；
图2为本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定装置的组成结构示意图；
图3为本发明实施例中参量放大器一个可选的结构示意图；
图4为本发明实施例中参量放大器一个可选的结构示意图；
图5A为本发明实施例中超导阻抗变换参量放大器的确定方法一个可选的过程示意图；
图5B为本发明实施例中超导阻抗变换参量放大器的确定方法一个可选的过程示意图；
图6为本发明实施例中超导阻抗变换参量放大器的结构示意图；
图7A为相关技术中量子参量放大器中使用的电容示意图；
图7B为本发明实施例中短截线电容的原理示意图；
图7C为本发明实施例中短截线电容的剖面示意图；
图8为本发明实施例中超导阻抗变换参量放大器的使用示意图；
图9为本发明实施例中超导阻抗变换参量放大器的测试效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本发明的限制，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
对本发明实施例进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
1)版图(layout)：又称为电路版图，是描述电路中的元器件如何布局、摆放和连接的设计图。是真实电路物理情况的平面几何形状描述。
2)基于，用于表示所执行的操作所依赖的条件或者状态，当满足所依赖的条件或状态时，所执行的一个或多个操作可以是实时的，也可以具有设定的延迟；在没有特别说明的情况下，所执行的多个操作不存在执行先后顺序的限制。
3)超导量子比特，利用约瑟夫森结形成的超导量子电路。
4)超导量子芯片(superconducting quantum chip)：超导量子计算机的中央处理器。量子计算机是利用量子力学原理来进行计算的一种机器。基于量子力学的叠加原理和量子纠缠，量子计算机具有较强的并行处理能力，可以解决一些经典计算机难以计算的问题。超导量子比特的零电阻特性及与集成电路接近的制造工艺，使得利用超导量子比特构建的量子计算体系是目前最有希望实现实用量子计算的体系之一。
5)共面波导(CPW Coplanar waveguide)：是一种性能优越、加工方便的微波平面传输线，用于传输微波信号。在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并在紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面，这样就构成了共面波导，又叫共面微带传输线。共面波导传播的是TEM波，没有截止频率。由于中心导体与导体平板位于同一平面内，因此，在共面波导上并联安装元器件很方便，用它可制成传输线及元件都在同一侧的单片微波集成电路。超导量子芯片中使用大量的共面波导技术。
6)刻蚀(etching)/湿法刻蚀：即光刻腐蚀，是半导体工艺中重要的一环，按照版图设计对半导体衬底表面进行选择性腐蚀、剥离的图形化处理技术。刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程，其基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形。湿法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的刻蚀方法，优点是选择性重复性好、生产效率高、设备简单成本低。
7)微纳加工：微纳制造技术是指尺度为亚毫米、微米和纳米量级的元件，以及由这些元件构成的部件或系统的设计、加工、组装、集成与应用技术
8)元器件(components)：元件和器件的总称，是电路中的电子部件和组成元素，比如电阻、电容、电感等。
9)放大器(amplifier)：微波功率放大器件。
10)约瑟夫森参量放大器(JPAJosephson parametric amplifier)：使用约瑟夫森结的在外磁通调制下的非线性参量过程，将输入的微波信号进行放大。通常又一个电容与一对并联的约瑟夫森结构成。
11)三波混频(3-wave mixing)：使用接近输入信号两倍的泵浦频率调制放大器的非线性元件，放大输入信号的同时，也会产生等于泵浦频率与输入频率之差的闲波信号。
12)输入信号(input signal)：输入放大器待放大的微波信号。
13)泵浦信号(pump signal)：通过泵浦端口提供给放大器，进行能量转换，放大输入信号的微波。
14)闲波信号(idler signal)：混波非线性过程自动产生的非需求微波输出。
15)阻抗变换(impedence matching)：阻抗匹配。使用附加电路实现环境阻抗与放大器阻抗之间更缓和过度，实现环境与参量振荡电路之间更大频谱范围的耦合。
16)阻抗变换约瑟夫森参量放大器(impedance matched Josephson parametricamplifier，IMPA)：在较窄带宽的约瑟夫森参量放大器中集成阻抗变换模块，可以在较大带宽的范围内实现参量放大。
17)短截线电容(stub capacitance)：使用连接开路负载的，长度小于目标频率四分之一波长的波导结构，实现在等于或者低于目标频率范围内的电容。
18)介质电容(dielectric capacitance)：在芯片底层和顶层金属之间使用绝缘的介电材料，如SiOx，AlOx等，把它们隔开几十至数百纳米的距离并形成一个集总形式的电容。
下面对本发明实施例所提供的量子比特的频率控制信号处理方法进行说明，其中，图1为本发明实施例提供的量子比特的频率控制信号处理方法的使用场景示意图，参见图1，其中，超导量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。相比传统计算机，超导量子计算机在解决一些特定问题时运算效率可大幅提高，因而受到广泛关注。超导量子芯片可以利用相关的半导体工艺技术实现大规模的集成，同时，超导量子比特在相互作用控制、选择性操作以及纠错等进行量子计算所需要的关键性指标方面展现出较其他物理体系更为优越的性能，是最有希望实现超导量子计算机的平台之一。具体来说，超导量子计算机主要包括超导量子芯片和用于芯片控制和测量的硬件系统，硬件系统主要包括各种微波频段的信号发生器和和各种微波频段的器件，包括不限于滤波器、放大器、隔离器等，以及配备微波传输线的稀释制冷机。超导量子计算机的关键技术是对超导量子芯片上量子比特状态的精密操控和准确测量，超导量子比特的本征能量处于吉赫兹(GHz)的微波波段，实现量子门操作和量子态的读取需要对超导量子比特施加特定相位、幅度和持续时间的脉冲微波信号，故而超导量子计算机需要大量GHz微波频段的信号源和GHz采样率的任意波形信号调制。另外，超导量子比特需要保持在毫开尔文的温度下降低热噪声以长时间的维持超导量子比特的相干状态，一般选择使用稀释制冷机为超导量子芯片提供低温环境。稀释制冷机需要配备微波传输线，将室温制备的微波信号传递给处于低温状态的超导量子比特。如图1所示，其中，控制子系统用于控制量子比特Qu bit状态进行量子计算，例如单比特逻辑门计算和两比特逻辑门计算；超导量子芯片用于承载量子计算信息；测量子系统用于读取Qubit最终状态并获得量子计算的计算结果。将超导量子芯片置于低温环境中，控制子系统按照量子计算操作的需求产生脉冲调制信号，将一系列微波脉冲序列输入到超导量子芯片，对Qubit的量子态进行操作，所有操作完成后，测量系统输出测量脉冲信号到超导量子芯片，通过返回的信号变化得到Qubit的状态信息，最终得到计算结果。在测量过程中，目前商用的低温放大器一般工作在4K温度层，会带来极大的热噪声，而和超导量子芯片工作在同一温度层的约瑟夫森参量放大器具有极大的增益、不会引入额外噪声的优良特性，所以约瑟夫森参量放大器是做超导量子计算的必要器件。同时，通过阻抗变换器，使用附加电路实现环境阻抗与放大器阻抗之间更缓和过度，实现环境与参量振荡电路之间更大频谱范围的耦合。但是，约瑟夫森参量放大器和阻抗变换器由于结构复杂，组合而成的阻抗变换约瑟夫森参量放大器在加工过程中的良品率较低，增加了量子芯片的制作成本，同时由于对参数敏感，要求的电容较大，介电电容的插入损耗大，造成了阻抗变换约瑟夫森参量放大器的性能提升不足，功耗过高。因此，需要提供一种新型结构的超导阻抗变换参量放大器，保证高良率地生产大带宽低插损接近量子极限噪声的超导阻抗变换参量放大器，以满足量子芯片的大规模使用。
下面对本发明实施例的超导阻抗变换参量放大器的确定装置的结构做详细说明，超导阻抗变换参量放大器的确定装置可以各种形式来实施，如带有超导阻抗变换参量放大器的确定装置处理功能的超导量子芯片，也可以为设置有超导阻抗变换参量放大器的确定装置处理功能的集成芯片，例如前序图1中的超导量子芯片200。图2为本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定装置的组成结构示意图，可以理解，图2仅仅示出了超导阻抗变换参量放大器的确定装置的示例性结构而非全部结构，根据需要可以实施图2示出的部分结构或全部结构。
本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定装置包括：至少一个处理器201、存储器202、用户接口203和至少一个网络接口204。超导阻抗变换参量放大器的确定装置中的各个组件通过总线系统205耦合在一起。可以理解，总线系统205用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统205除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图2中将各种总线都标为总线系统205。
其中，用户接口203可以包括显示器、键盘、鼠标、轨迹球、点击轮、按键、按钮、触感板或者触摸屏等。
可以理解，存储器202可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。本发明实施例中的存储器202能够存储数据以支持终端中的超导量子芯片中的操作。这些数据的示例包括：用于在终端的超导量子芯片上操作的任何计算机程序，如操作系统和应用程序。其中，操作系统包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序可以包含各种应用程序。
在一些实施例中，本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定装置可以采用软硬件结合的方式实现，作为示例，本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定装置可以是采用硬件译码处理器形式的处理器，其被编程以执行本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定方法。例如，硬件译码处理器形式的处理器可以采用一个或多个应用专用集成电路(ASIC，Ap plication Specific Integrated Circuit)、DSP、可编程逻辑器件(PLD，Programm able Logic Device)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，ComplexProgrammable Lo gic Device)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable GateArray)或其他电子元件。
作为本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定装置采用软硬件结合实施的示例，本发明实施例所提供的超导阻抗变换参量放大器的确定装置可以直接体现为由处理器201执行的软件模块组合，软件模块可以位于存储介质中，存储介质位于存储器202，处理器201读取存储器202中软件模块包括的可执行指令，结合必要的硬件(例如，包括处理器201以及连接到总线205的其他组件)完成本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定方法。
作为示例，处理器201可以是一种超导电子芯片，具有信号的处理能力，例如通用处理器、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其中，通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。
作为本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定装置采用硬件实施的示例，本发明实施例所提供的装置可以直接采用硬件译码处理器形式的处理器201来执行完成，例如，被一个或多个应用专用集成电路(ASIC，Applica tion Specific IntegratedCircuit)、DSP、可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)或其他电子元件执行实现本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定方法。
本发明实施例中的存储器202用于存储各种类型的数据以支持超导阻抗变换参量放大器的确定装置的操作。这些数据的示例包括：用于在超导阻抗变换参量放大器的确定装置上操作的任何可执行指令，如可执行指令，实现本发明实施例的从超导阻抗变换参量放大器的确定方法的程序可以包含在可执行指令中。
在另一些实施例中，本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定装置可以采用软件方式实现，图2示出了存储在存储器202中的超导阻抗变换参量放大器的确定装置，其可以是程序和插件等形式的软件，并包括一系列的模块，作为存储器202中存储的程序的示例，可以包括超导阻抗变换参量放大器的确定装置，超导阻抗变换参量放大器的确定装置中包括以下的软件模块：信号传输模块2081和仿真设计模块2082，信号传输模块2081和仿真设计模块2082可以组成微波生成方法的仿真设计软件，以计算超导阻抗变换参量放大器的结构。当超导阻抗变换参量放大器的确定装置中的软件模块被处理器201读取到RAM中并执行时，将实现本发明实施例提供的超导阻抗变换参量放大器的确定方法，其中，超导阻抗变换参量放大器的确定装置中各个软件模块的功能，包括：
信号传输模块2081，用于根据量子芯片的使用环境，确定与超导阻抗变换参量放大器相匹配的中心波长参数，增益参数和带宽参数。
仿真设计模块2082，用于基于所述波长参数，所述增益参数和所述带宽参数，计算与所述超导阻抗变换参量放大器相匹配的阻抗变换线的阻抗值和放大器的电容值。
所述仿真设计模块2082，用于基于所述阻抗变换线的阻抗值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的线宽尺寸。
所述仿真设计模块2082，用于基于所述阻抗变换线的阻抗值和所述放大器的电容值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的短截线尺寸。
所述仿真设计模块2082，用于基于所述线宽尺寸和所述短截线尺寸，确定所述超导阻抗变换参量放大器的结构。
根据图2所示的超导阻抗变换参量放大器的确定装置，在本申请的一个方面中，本申请还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述超导阻抗变换参量放大器的确定方法的各种可选实现方式中所提供的不同实施例及实施例的组合。
在介绍本申请所提出的超导阻抗变换参量放大器的确定方法之前，首先对相关技术的超导阻抗变换参量放大器进行介绍，具体来说，参考图3，图3为本发明实施例中参量放大器一个可选的结构示意图，相关技术中超导约瑟夫森结环路作为非线性元件，经过与介电电容的并联做成超导参量谐振电路。为了增大带宽使用阻抗变换技术，使用在中心频率在放大带宽中心时的四分之一串联二分之一的波导组成的阻抗匹配结构。在约瑟夫森结环路附近通过共面波导施加大约放大中心频率二倍左右的驱动和直流偏置实现放大，如图3所示，参量放大器通常由谐振电路(一般是LC并联的谐振电路)，可调谐的非线性元件(半导体通常为使用可变电容，超导电路通常使用约瑟夫森结制作的可调电感)和一个外界施加的谐振频率二倍作用的泵浦驱动。
参考图4，图4为本发明实施例中参量放大器一个可选的结构示意图，超导约瑟夫森结，作为一种典型的超导非线性器件，它在超导参量放大器中起着核心作用。约瑟夫森结环路中的磁通量子化效应使得该环路在小电流条件下表现类似一个可被外部施加磁通所调制的电感。而且由于超导的特性，其电阻损耗在理想情况下也可以忽略。当给超导环路施加大约二倍与输入信号的磁通泵浦时就可以有效地放大输入信号。超导参量放大器本质是非线性谐振器，在其中振荡的是超导相位。超导现象是一种典型的宏观量子现象，大量的传导电子通过一定的机制结合成库伯对并凝聚到一起，形成集体模式的量子态。超导凝聚在能带中打开了一个小小的能隙，将所有低于这个能量尺度的相互作用拒之门外，对系统起到了绝佳的保护，成就了对于很多应用而言求之不得的效应：零电阻和完全抗磁性。超导现象作为一种宏观量子效应，尽管参与的粒子数在宏观量级，但表现出来的自由度只有一个——相位。通常电路的噪声来源于不可控的自由度，在超导参量放大器中，参与的自由度只有这一个，其他大量相关的自由度都因为超导能隙的保护而冻结了，自然噪声就极低了。通常人们会提到超导参量放大器的量子极限噪声。非线性的存在使得放大器的振荡频率与振幅大小相关，对于JPA而言，振幅越大，共振频率越低。当振幅趋近于一个临界值时，极微弱的扰动也将导致系统响应特性出现显著变化。JPA需要先用一个较大功率的泵浦信号将系统驱动到接近这个临界状态，然后输入信号进来就相当于这个扰动，响应特性的变化造成输出变化。在这个过程中，扰动(信号)与泵浦之间有一定的相位关系，当信号与泵浦频率一致时，只有当二者同相位时，才能造成显著的放大，而当相位相差90度时，输出反而是缩小的，理论上这正好满足了前述“超越量子极限”的条件。超越量子极限是有严格条件的，只有当信号频率与泵浦频率一致的时候才能发生。如果二者有偏差，根据三角函数关系，信号光总能分解成一半与泵浦光同相、一半相差90度的两个分量，因此总体增益就与初相无关了，即附加噪声最小值是半个光子。
但是，这种放大器也有带宽频率过窄的问题。特别是在超导量子计算的多路复用读取对超导参量放大器的带宽提出了一定的带宽要求的情况下。为了解决这一需求，所以相关技术中使用了阻抗变换器。通过阻抗变换器降低超导参量放大器与50欧姆的环境之间的阻抗差别，使得它们之间的耦合更加顺滑。通过减小环境与放大的谐振电路之间的阻抗差别，可以将10MHz左右的窄带放大扩展到需要的数百兆赫兹的范围。但这一过程中需要控制好阻抗变换的强度。如果带宽过大，可能会导致增益的整体减小。最终实现通过牺牲部分增益换取更大带宽的目的。
相关技术所提供的超导阻抗变换参量放大器方案均使用一个四分之一和一个二分之一波长波导串联的结构。其中，四分之一波长波导起到阻抗变换作用。二分之一波长波导引入一个辅助谐振模式，可以通过引入第二个谐振点，等效地拉大带宽。但是申请人发现相关技术中的四分之一波长波导并不能有效地提高放大器的整体表现，甚至增加了整个超导阻抗变换参量放大器的电路对加工参数波动的敏感程度。同时，由于超导阻抗变换参量放大器中所使用的阻抗变换器和参量放大器并不是相同的平面结构，因此，在阻抗变换参量放大器的生产过程中存在良品率较低的缺陷，增加了阻抗变换参量放大器的制造成本。
为了克服上述缺陷，设计一种结构能够提升性能的超导阻抗变换参量放大器，参考图5A，图5A为本发明实施例中超导阻抗变换参量放大器的确定方法一个可选的过程示意图，具体包括以下步骤：
步骤501：超导阻抗变换参量放大器的确定装置根据量子芯片的使用环境，确定与超导阻抗变换参量放大器相匹配的中心波长参数，增益参数和带宽参数。
其中，超导量子芯片中读取腔的频率范围。一般常见的为300-500MHz带宽以内，均匀分布的1到7个的读取频率。在确定超导阻抗变换参量放大器时约瑟夫森参量放大器和阻抗变换线的工作中心都需要取在这个频段的中心和带宽。
同时根据需要同时读取数目，确定需要的饱和功率。一般典型的输入饱和功率在-115dBm。如果需要同时放大器频率越多，需要的饱和功率也就越高。此时可以一定程度增加放大电路谐振时约瑟夫森结的临界电流，也需要同等程度地增大谐振电路的电容。
步骤502：超导阻抗变换参量放大器的确定装置基于所述波长参数，所述增益参数和所述带宽参数，计算与所述超导阻抗变换参量放大器相匹配的阻抗变换线的阻抗值和放大器的电容值。
步骤503：超导阻抗变换参量放大器的确定装置基于所述阻抗变换线的阻抗值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的线宽尺寸。
通过步骤503的处理，共面波导的线宽尺寸为在目标中心频率的二分之一波长的距离，由于共面波导的线宽尺寸的减少，降低了对放大器电容值的要求。可以有相关技术中3pF下降低到1pF，使得利用平面结构实现低损耗的电容成为现实。同时，二分之一波长波导的距离的共面波导的线宽尺寸可以得到与相关技术中相同的放大表现，同时又提高了放大器整体表现对加工参数偏移的容忍程度，有效提高了超导阻抗变换参量放大器的加工良率，降低生产成本。
在本发明的一些实施例中，当超导阻抗变换参量放大器所需的阻抗变换部分的特征阻抗发生变化时，可以通过调整共面波导的截面尺寸来实现，以阻抗变换线的阻抗值减小为例，当所述阻抗变换线的阻抗值减小时，将超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的形状调整为弯曲状态，同样可以实现上述技术效果，同时，弯曲状态的共面波导，可以适应更多使用场景中对于量子芯片的不同安装需求。
步骤504：超导阻抗变换参量放大器的确定装置基于所述阻抗变换线的阻抗值和所述放大器的电容值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的短截线尺寸。
参考图5B，图5B为本发明实施例中超导阻抗变换参量放大器的确定方法一个可选的过程示意图，在执行步骤501-步骤504的过程中，可以通过前序实施例汇中信号传输模块和仿真设计模块所组成的仿真设计软件，通过微波网络合成法，也就是根据需要的电路表现寻找需要的电路元件参数的方法，确定超导阻抗变换参量放大器的结构。类比于合成大带宽带阻滤波器的思路，为了合成有带宽的增益，只要把同样中心，带宽和负增益也就是衰减时候得到的参数赋给放大器电路，同时把里面并联于谐振电路的正电阻变换成同样绝对值大小的负电阻。在得到的新电路中负电阻并联电感的结构将由被参数调制的约瑟夫森环路实现。除了谐振放大电路需要的电容，电感，负电阻，本方法也会同时给出阻抗变换部分的基本参数，即二分之一阻抗变换线的阻抗值。
步骤505：超导阻抗变换参量放大器的确定装置基于所述线宽尺寸和所述短截线尺寸，确定所述超导阻抗变换参量放大器的结构。
当确定超导阻抗变换参量放大器的结构之后，可以继续基于线宽尺寸和短截线尺，对超导阻抗变换参量放大器的功效进行检测和调整，参考图6，图6为本发明实施例中超导阻抗变换参量放大器的结构示意图，其中，一端为输入输出的微波接口。通常会将环形器的输入输出从一个端口中分离出来，之后会连接到一段在中心频率为二分之一波长的共面波导。该段波导使用共面波导结构在于参量放大器相同的基底芯片上制作。最后该共面波导会再与超导参量放大器器串联。在参量放大器的约瑟夫森结附近，可以用共面波导线施加大约放大频率中心2倍的泵浦频率，驱动整个放大器工作。由此，在本申请中，约瑟夫森参量放大器通过使用短截线结构，使得可以使用平面结构实现放大器的电容，降低了损耗。
在本发明的一些实施例中，可以根据所述放大器的电容值，和所述超导阻抗变换参量放大器的中心频率，计算所述超导阻抗变换参量放大器的约瑟夫森结的室温电阻值，以达到测量量子比特状态的作用，其中，可以根据超导阻抗变换参量放大器的不同使用环境，首先确定超导阻抗变换参量放大器的中心频率，以满足相应的设计使用需求。
参考图7A至图7C，其中，图7A为相关技术中量子参量放大器中使用的电容示意图，图7B为本发明实施例中短截线电容的原理示意图，图7C为本发明实施例中短截线电容的剖面示意图。
在确定超导阻抗变换参量放大器的结构时，除了稳定可靠的大带宽放大之外，还需要注意放大器本身的插入损耗，即在不提供放大泵浦情况下的输出相比输入由于放大器本身引入的损耗，目前插入损耗中主要来自组成参量放大器的电容结构。
如图7A为相关技术中量子参量放大器中使用的电容，其优点是电容密度高，可以在很小的面积之内做出来需要的电容，从而减小由于几何结构带来的寄生电感。但是这种电容由于使用了有损的介电材料，因此带来了插入损耗大的缺点。
参考图7B所示的短截线电容，短截线电容的电介质为真空与低损耗的基底材料。由于避免使用了无定形状态的介电材料，这种平面设计可以减小放大器的插入损耗。参考图7C，一个负载为开路的长度较短的共面波导即可等价于一个电容对地的电容。由于单一短截线提供的电容较少，如果加长长度又会引入过多的寄生电感，影响放大器的增益。在实际设计中会并联多个类似的短截线电容结构并与约瑟夫森结环路并联，形成参量放大电路。在实际应用中，还需要像图7C所示，在短截线的根部添加一个空桥减小较长的短截线电容带来的寄生模式。
继续结合图6所示的超导阻抗变换参量放大器的结构示意图，说明本申请所提供的导阻抗变换参量放大器的结构改进，其中，阻抗变换器和约瑟夫森参量放大器，所述阻抗变换器和约瑟夫森参量放大器集成在同一量子芯片中；所述阻抗变换器包括：共面波导，所述共面波导的长度为中心频率的二分之一波长；所述约瑟夫森参量放大器包括：短截线，所述短截线的长度与所述超导阻抗变换参量放大器的电容值相匹配。
在本发明的一些实施例中，多个并联的开路共面波导结构实现电容时，可以使用缝隙较小而中心较粗的共面波导来减小寄生的串联电感。具体来说可以首先计算所选择几何尺寸的短截线电容在所需中心频率附近一定范围的阻抗值。再用电容与电感串联的集总电路对以上阻抗与频率关系的曲线进行拟合，得到电容值和寄生的电感值。并保证数个并联的短截线电容的总电容值符合设计值。
在本发明的一些实施例中，在制造超导阻抗变换参量放大器时，可以将一段二分之一波长的共面波导线串联在参量放大电路和用于与环境连接的焊盘之间，由于阻抗变换器与约瑟夫森参量放大器集成在同一片芯片之上，减少了之前分立设计引入由于人工加工引入的不确定性，提升了超导阻抗变换参量放大器的制造良品率。
在本发明的一些实施例中，在制造超导阻抗变换参量放大器时，引线键合与外部固定在样品盒上面的微波接头的芯线进行连接。在进行连接时需要使用的引线长度与比并联的数目。由此可以保证这些引线与焊盘组合后的结构拥有与环境阻抗接近的特征阻抗。这样可以减小与环境之间不必要的反射，改善放大器的阻抗环境。同时样品盒的大块金属也将使用大量的引线与芯片上代表地的大片金属膜进行连接，保证良好的接地性，实现了超导阻抗变换参量放大器的耐用性。
参考图8，图8为本发明实施例中超导阻抗变换参量放大器的使用示意图，其中，为所述超导阻抗变换参量放大器配置接入泵浦信号的目标端口，可以实现通过所述目标端口确定所述超导阻抗变换参量放大器的工作点，具体来说，配合量子比特芯片的读取使用中，把经过比特芯片的读取信号经过环形器引入本专利描述的阻抗变换参量放大器。经过放大的反射信号，被环形器与输入信号分开。再经过低温和室温放大器的二，三级放大之后，被室温电子学设备分析判断量子比特所处的状态。除了输入输出端口，本放大器还有用于接入泵浦信号的端口。一般需要将直流偏置与微波驱动经过偏执器混合之后连接到该端口。通过扫描合适的直流偏置，确定放大器的工作点。通过施加合适的驱动微波，使放大器实现放大功能。
参考图9，图9为本发明实施例中超导阻抗变换参量放大器的测试效果示意图，相关技术中实现参量放大功能的类似放大器最大可用带宽只有600MHz左右，但是如图9所示，本申请所提供的超导阻抗变换参量放大器的可用带宽的峰值为1GHz，导阻抗变换参量放大器性能更好，同时超导阻抗变换参量放大器的损耗降低，如图9所示的超导阻抗变换参量放大器的最大可用带宽在5500GHz增加到7500GHz的过程中超导阻抗变换参量放大器的损耗最大值为24dB，并在7500GHz时，降低至8dB。
有益技术效果：
本发明通过根据量子芯片的使用环境，确定与超导阻抗变换参量放大器相匹配的中心波长参数，增益参数和带宽参数；基于所述波长参数，所述增益参数和所述带宽参数，计算与所述超导阻抗变换参量放大器相匹配的阻抗变换线的阻抗值和放大器的电容值；基于所述阻抗变换线的阻抗值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的线宽尺寸；基于所述阻抗变换线的阻抗值和所述放大器的电容值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的短截线尺寸；基于所述线宽尺寸和所述短截线尺寸，确定所述超导阻抗变换参量放大器的结构，由此，可以实现：
1)通过本申请所提供的超导阻抗变换参量放大器的确定方法，可以实现提升导阻抗变换参量放大器的性能更好，将导阻抗变换参量放大器的损耗降低。
2)同时利用超导阻抗变换参量放大器的结构，使得导阻抗变换参量放大器的制造中，良品率更好，降低制造成本，有利于超导量子芯片的大规模推广。
以上所述，仅为本发明的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种超导阻抗变换参量放大器的确定方法，其特征在于，所述方法包括：
根据量子芯片的使用环境，确定与超导阻抗变换参量放大器相匹配的中心波长参数，增益参数和带宽参数；
基于所述波长参数，所述增益参数和所述带宽参数，计算与所述超导阻抗变换参量放大器相匹配的阻抗变换线的阻抗值和放大器的电容值；
基于所述阻抗变换线的阻抗值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的线宽尺寸；
基于所述阻抗变换线的阻抗值和所述放大器的电容值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的短截线尺寸；
基于所述线宽尺寸和所述短截线尺寸，确定所述超导阻抗变换参量放大器的结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述阻抗变换线的阻抗值减小时，将所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的形状调整为弯曲状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述放大器的电容值，和所述超导阻抗变换参量放大器的中心频率，计算所述超导阻抗变换参量放大器的约瑟夫森结的室温电阻值，以达到测量量子比特状态的作用。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
为所述超导阻抗变换参量放大器配置接入泵浦信号的目标端口，以实现通过所述目标端口确定所述超导阻抗变换参量放大器的工作点。
5.一种超导阻抗变换参量放大器的确定装置，其特征在于，所述装置包括：
信号传输模块，用于根据量子芯片的使用环境，确定与超导阻抗变换参量放大器相匹配的中心波长参数，增益参数和带宽参数；
仿真设计模块，用于基于所述波长参数，所述增益参数和所述带宽参数，计算与所述超导阻抗变换参量放大器相匹配的阻抗变换线的阻抗值和放大器的电容值；
所述仿真设计模块，用于基于所述阻抗变换线的阻抗值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的线宽尺寸；
所述仿真设计模块，用于基于所述阻抗变换线的阻抗值和所述放大器的电容值，计算所述超导阻抗变换参量放大器所需要的短截线尺寸；
所述仿真设计模块，用于基于所述线宽尺寸和所述短截线尺寸，确定所述超导阻抗变换参量放大器的结构。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述仿真设计模块，用于当所述阻抗变换线的阻抗值减小时，将所述超导阻抗变换参量放大器所需要的共面波导的形状调整为弯曲状态。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述仿真设计模块，用于根据所述放大器的电容值，和所述超导阻抗变换参量放大器的中心频率，计算所述超导阻抗变换参量放大器的约瑟夫森结的室温电阻值，以达到测量量子比特状态的作用。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述仿真设计模块，用于为所述超导阻抗变换参量放大器配置接入泵浦信号的目标端口，以实现通过所述目标端口确定所述超导阻抗变换参量放大器的工作点。
9.一种超导阻抗变换参量放大器，其特征在于，所述超导阻抗变换参量放大器包括：
阻抗变换器和约瑟夫森参量放大器，所述阻抗变换器和约瑟夫森参量放大器集成在同一量子芯片中；
所述阻抗变换器包括：共面波导，所述共面波导的长度为中心频率的二分之一波长；
所述约瑟夫森参量放大器包括：短截线，所述短截线的长度与所述超导阻抗变换参量放大器的电容值相匹配。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
存储器，用于存储可执行指令；
处理器，用于运行所述存储器存储的可执行指令时实现权利要求1至4任一项所述的超导阻抗变换参量放大器的确定方法。
11.一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，其特征在于，所述计算机程序或指令被处理器执行时，实现权利要求1至4任一项所述的超导阻抗变换参量放大器的确定方法。
12.一种计算机可读存储介质，存储有可执行指令，其特征在于，所述可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至4任一项所述的超导阻抗变换参量放大器的确定方法。
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| EP4395169A1 (en) | 2024-07-03 |
| WO2024007756A1 (zh) | 2024-01-11 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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