CN203339284U - 反射式超导传输线谐振腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种本反射式超导传输线谐振腔，包括电介质基片，所述电介质基片上设有两条并行的耦合微带传输线、两个齿状耦合电容和两个微波接入电极；每个耦合微带传输线一端放空，另一端通过一个齿状耦合电容耦合到一个微波接入电极；所述耦合微带传输线、齿状耦合电容和微波接入电极都为铝超导材料。本实用新型占空间小，可以与量子比特集成在同一基片上，有良好的可集成性；能很好与量子比特形成耦合，可以有效完成量子信息交换；可以维持低能量少光子的谐振状态，保证了量子信息的准确传递；有效消除了环境噪声的影响；有利于调整谐振腔的Q值，兼顾量子信息保持能力和交换能力的平衡。

Description

反射式超导传输线谐振腔

技术领域

  本实用新型涉及一种超导传输线谐振腔，尤其涉及一种反射式超导传输线谐振腔。

背景技术

半导体量子芯片是在传统半导体工业的基础上，充分利用量子力学效应，实现高效率并行量子计算的核心部件。量子比特，可以是量子点，也可以是超导量子干涉仪等装置，是量子芯片上的基本单元，可以储存和操作量子信息。但是要完成量子计算过程，还需要实现量子比特之间的耦合和数据交换，以及量子信息的探测读出。普通的电子线路无法传递量子信息，因此我们需要一些特殊的电子元件为我们实现这一功能。微波谐振腔可以激发和传递能够携带量子信息的微波光子，实现这一功能。我们希望获得一种能够与量子比特实现良好的耦合，具有合适的品质因素，即Q值，同时引入噪声较小的微波谐振腔，它能够与量子比特之间实现信息的交换，从而作为媒介实现量子比特之间的长程耦合，同时也可以作为一种有效的探测器，读出量子比特的信息。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种能够满足量子比特探测和相互之间通信的要求的反射式超导传输线谐振腔。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：一种反射式超导传输线谐振腔，包括电介质基片，所述电介质基片上设有两条并行的耦合微带传输线、两个齿状耦合电容和两个微波接入电极；每个耦合微带传输线一端放空，另一端通过一个齿状耦合电容耦合到一个微波接入电极；所述耦合微带传输线、齿状耦合电容和微波接入电极都为铝超导材料。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述电介质基片为半导体基片。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述电介质基片为为Si材料基片或者GaAs材料基片。 

作为本实用新型进一步改进的技术方案，两条并行的耦合微带传输线呈弯曲走线的形式设置在电介质基片上。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述耦合微带传输线沿方向D单向弯曲，使耦合微带传输线在方向D上的投影连续而并且耦合微带传输线前点的投影和后点的投影后不重合。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述电介质基片还设有两个分别位于耦合微带传输线两侧的直流电压接入电极；所述直流电压接入电极通过金属线与同侧的耦合微带传输线电连接；金属线和直流电压接入电极也为铝超导材料。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述耦合微带传输线、齿状耦合电容、微波接入电极4以及金属线6和直流电压接入电极通过半导体微纳米加工工艺设置在电介质基片上。

本反射式超导传输线谐振腔，由两条并行的耦合微带传输线组成，它们走线的弯曲是为了节省空间。这两条耦合微带传输线一端放空，另一端各通过一对齿状结构的缝隙电容，即齿状耦合电容耦合到微波接入电极，再由微波接入电极通过焊线与外部电路相连接。两路功率相同、相位相差180°的差分微波信号从外电路分别加到微波接入电极上耦合进本反射式超导传输线谐振腔，实现λ/2谐振。整个反射式超导传输线谐振腔的腔体全部使用超导材料制成，比如铝、铌、锌等具有超导特性的材料，本反射式超导传输线谐振腔除了电介质基片外，其他部分均为超导材料，所述腔体主要指两条并行的耦合微带传输线，所述铝超导材料为普通的纯铝镀成的薄膜，并不是特殊的材料；中部连出的两条金属线可以通过焊线与外界相连，可以加入直流偏置电压。整个电路部分通过微纳米加工制作在一块电介质基片上，电介质基片一般采用Si或者GaAs材料，工作时基片底部可以用银胶贴在样品架的金属板上作为接地平面。

在本实用新型中，电介质基片、耦合微带传输线、齿状耦合电容、微波接入电极以及金属线和直流电压接入电极等金属部分均采用铝超导材料，在量子比特工作的极低温下呈现超导特性，因此能够传导极小的能量而不至于因衰减而很快耗散，同时因为在极低温下热噪声很小，所以本实用新型可以维持在本反射式超导传输线谐振腔内只有数个或单个光子的状态，从而准确地传递所需的量子信息。

在本实用新型中，采用了双线结构来传输差分信号，这种设计有两个优势：一是这种差分信号最后通过差模输出，两端信号作差，在本反射式超导传输线谐振腔内传输过程中由于环境影响引入的噪声信号，会因为彼此相当而被消去或减弱；二是因为这种结构与单线的谐振腔电场集中在微带线与基片底部接地板之间的电介质中相比，电场由于在两条耦合微带线之间振荡而在平面上铺得更开，这十分有利于与附近量子比特之间的耦合。

本实用新型中采用了齿状结构的缝隙电容，即齿状耦合电容与微波接入电极耦合，通过改变齿状耦合电容的间距以及正对面积的大小，可以很容易地改变缝隙电容的大小，从而有效改变Q值的大小，这与一般采用直接截断金属线的方式相比，在制备方面可控性更强，有利于获得所需的Q值。

本实用新型采用了现有技术中的半导体微纳米加工工艺，即通过在基片上光刻、显影、镀膜、剥离等过程得到本反射式超导传输线谐振腔，所以可以将本实用新型整体上做得很小，适应了量子芯片可集成性的要求。

总之，本实用新型完全能够满足量子芯片的应用要求，具体表现在：本实用新型主体，即指除了电介质基片之外的电路部分为平面结构，占空间小，可以与量子比特集成在同一基片上，有良好的可集成性；本实用新型的双线结构使谐振电场在平面上铺开，能很好与量子比特形成耦合，可以有效完成量子信息交换；本实用新型的电路部分采用超导材料，使得本实用新型可以维持低能量少光子的谐振状态，保证了量子信息的准确传递；本实用新型采用双线结构来传输差分信号，通过两端作差的方式，有效消除了环境噪声的影响；本实用新型采用的齿状耦合设计，即齿状耦合电容，有利于调整谐振腔的Q值，兼顾量子信息保持能力和交换能力的平衡；本实用新型加入了直流偏置电压接入结构，即直流电压接入电极，在对高频信号没有影响的情况下，提供了一个能够在实验中操控量子比特性质的窗口。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图

图2是本实用新型的实施例1中制备的光刻掩膜板图案示意图。

图3是用本实用新型探测量子比特信息的应用连接示意图。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。

具体实施方式

实施例1

参见图1，本反射式超导传输线谐振腔，包括电介质基片1，所述电介质基片上设有两条并行的耦合微带传输线2、两个齿状耦合电容3和两个微波接入电极4；每个耦合微带传输线2一端放空，另一端通过一个齿状耦合电容3耦合到一个微波接入电极4；所述耦合微带传输线2、齿状耦合电容3和微波接入电极4都为铝超导材料，本实施例中采用铝超导材料，铝超导材料为普通的纯铝镀成的薄膜，并不是特殊的材料。所述电介质基片1为半导体基片，本实施例中所述电介质基片1为Si材料基片或者GaAs材料基片。两条并行的耦合微带传输线2呈弯曲走线的形式设置在电介质基片1上，所述耦合微带传输线2沿方向D单向弯曲，使耦合微带传输线2在方向D上的投影连续而并且耦合微带传输线2前点的投影和后点的投影后不重合，或者说如同正弦曲线的单项弯曲并且其在X轴向的投影不会重合一样，每个耦合微带传输线2仅向两边弯曲，而不会反向弯曲，这样弯曲后的耦合微带传输线2在方向D上的投影是连续的并且前点的投影和后点的投影不会重合。所述电介质基片上还还设有两个分别位于耦合微带传输线2两侧的直流电压接入电极5；所述直流电压接入电极5通过金属线6与同侧的耦合微带传输线2电连接；金属线6和直流电压接入电极5也为铝超导材料。所述耦合微带传输线2、齿状耦合电容3、微波接入电极4以及金属线6和直流电压接入电极5通过半导体微纳米加工工艺设置在电介质基片1上。

本实施例1在设计时，先要选定使用的电介质基片，然后使用微波模拟工具HFSS对本反射式超导传输线谐振腔的微波特性进行模拟，根据电介质基片的电磁学特性，确定所需谐振频率的等效波长，确定本反射式超导传输线谐振腔中耦合微带传输线2的长度，同时确定50Ω阻抗匹配所要求的线宽，并对耦合微带传输线2的两线间的间隔作出调整。齿状耦合电容3的设计则需要通过实验经验进行调整，来使得腔的Q值符合具体实验要求。

本反射式超导传输线谐振腔的加工方法是将切割好的大小合适基片，一般是Si或者GaAs，也可以是其它介质材料，甩上一层光刻胶，利用光刻曝光技术曝光对应的图案，光刻掩膜板图形如图2所示，经过显影，将掩膜板上有金属遮挡的部分的对应位置的光刻胶洗掉，使得这些位置的基片表面露出，而其余部分仍有光刻胶遮挡。然后在使用蒸发镀膜技术，热蒸发、电子束蒸发均可，在电介质基片上有光刻胶的一面上镀上一层厚度200nm-400nm的铝膜，当然也可以是其它在低温下具有超导电性的金属薄膜，如铌、锌等，最后在光刻胶的溶剂中剥离掉基片表面的光刻胶，其上金属也同时被剥离，留下的部分金属即本实用新型的电路部分。

除了上述方法外，也可以采取先镀膜再刻蚀的方法制备本反射式超导传输线谐振腔，即先在洗净的电介质基片表面上镀上金属薄膜，然后再甩上光刻胶，曝光附图2所示图案，不过与前述相反，需要采取正胶曝光，使得有遮挡部分光刻胶不被显影去掉，而无遮挡部分光刻胶被去掉，再浸入与所镀金属材料对应的刻蚀剂中刻蚀适当的时间，使得没有光刻胶遮挡部分的金属被刻蚀掉，这样未被刻蚀掉的部分即本实用新型的样品结构。

下面具体说明本实用新型的使用方式，此说明并非对本反射式超导传输线谐振腔保护范围的限制。

参见图3，为使用本反射式超导传输线谐振腔对石墨烯双量子点进行探测的一个实验实例的示意图。幅值极低的微波信号由网络分析仪输出端口发出，经过环形器7单向传输至180度环形混合网络8，它的作用是将输入的微波信号分为功率相等、相位相反的两路信号，通过焊线连接，再分别输入到本反射式超导传输线谐振腔的两个微波接入电极4上，然后通过齿状耦合电容3耦合进本反射式超导传输线谐振腔内。由于本反射式超导传输线谐振腔的电介质基片较小，所以可以将它用银胶贴在印有180度环形混合网络的印制电路板上，贴片位置应作接地处理。微波信号进入本反射式超导传输线谐振腔后，产生的反射信号再次经过180度环形混合网络8，两路信号的差模输出信号从之前的输入端返回，借由环形器7的单向传输特性，输出信号从输入端口回到网络分析仪。网络分析仪可以给出整个电路的S参数的幅值、相位、群延迟等情况。同时，本反射式超导传输线谐振腔的末端电场最强处加工有一个石墨烯双量子点9，本反射式超导传输线谐振腔的末端搭在石墨烯量子点9的调制电极上，此时本反射式超导传输线谐振腔与量子点处于耦合状态，可以相互交换信息，从而影响到本反射式超导传输线谐振腔的谐振特性，最终反映在测出的S参数上。即是说，作为量子比特的量子点的状态可以从本反射式超导传输线谐振腔的谐振状态反映和提取出来，完成了对量子比特的探测过程，整个过程可以通过电脑控制，达到大量采集数据的目的。需要特别说明的是由于本反射式超导传输线谐振腔搭在量子点调制电极上，所以本本反射式超导传输线谐振腔中所留出的直流接口，即直流电压接入电极，可以加入直流电压，这一直流电压的加入不影响微波特性，但可以对量子点的状态起到控制效果，这也就是加入直流接口的一个重要原因。

按照微波理论，在该谐振腔中，两端电场最强，即波腹，中间最弱，即波节，所以微波信号从走线一端电场最强处耦合进谐振腔，即齿状耦合电容位置尽量靠近走线末端；耦合电容设计成齿状结构是为了更好的调节腔的品质因素，即Q值，它与耦合电容C为平方反比关系，减小两齿之间正对长度或增大缝隙宽度会使C减小，从而增大Q值，具体参数取决于实验需求，另外从制备工艺角度上讲，较直接截断走线末端形成缝隙电容更容易控制，故采用该种结构；直流接入口在腔中间接入，这里谐振电场最弱，接入直流引线对谐振影响较其它位置要小。耦合微带线的两条线线宽一致，两者之间的缝宽在整个走线中保持不变。

走线的弯曲只是为了节省空间，因为做成直线形状太长了，不利于放入稀释制冷机测量，故弯曲的形状并无特殊要求，应不需要具体说明，谐振电场集中于两线之间，而在两侧略有弥散，需要设计好圆弧半径，不能使其过小，从而造成两条走线自身不同位置之间形成耦合。谐振腔走线长度，与谐振频率成反比，故该参数取决于所需要的谐振频率，长短皆可；齿状耦合结构，如前所诉，取决于所需Q值大小，两齿宽度同走线线宽，略有差距也无妨，我们通常令齿间缝宽在与线宽相当至线宽数倍之间，两齿正对长度数倍于线宽；走线线宽、线间缝宽，现分别采用9um、16um，正负1-2um影响不大，具体设计取决于对谐振电场在平面上铺开情况的要求，同比扩大两个参数值也是可以的，但具体实施最好重新模拟一下。交流接入、直流接入口，没有太大要求，方块的大小能够进行焊线即可。

Claims (7)

1.一种反射式超导传输线谐振腔，包括电介质基片（1），所述电介质基片（1）上设有两条并行并且弯曲的耦合微带传输线（2）、两个齿状耦合电容（3）和两个微波接入电极（4）；其特征在于：每个耦合微带传输线（2）一端放空，另一端通过一个齿状耦合电容（3）耦合到一个微波接入电极（4）；所述耦合微带传输线（2）、齿状耦合电容（3）和微波接入电极（4）都为铝超导材料。

2.根据权利要求1所述的反射式超导传输线谐振腔，其特征在于：所述电介质基片（1）为半导体基片。

3.根据权利要求2所述的反射式超导传输线谐振腔，其特征在于：所述电介质基片（1）为Si材料基片或者GaAs材料基片。

4.根据权利要求3所述的反射式超导传输线谐振腔，其特征在于：两条并行的耦合微带传输线（2）呈弯曲走线的形式设置在电介质基片（1）上。

5.根据权利要求4所述的反射式超导传输线谐振腔，其特征在于：所述耦合微带传输线（2）沿方向D单向弯曲，使耦合微带传输线（2）在方向D上的投影连续而并且耦合微带传输线（2）前点的投影和后点的投影后不重合。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的反射式超导传输线谐振腔，其特征在于：所述电介质基片（1）还设有两个分别位于耦合微带传输线(2)两侧的直流电压接入电极(5)；所述直流电压接入电极(5)通过金属线(6)与同侧的耦合微带传输线(2)电连接；金属线(6)和直流电压接入电极(5)也为铝超导材料。

7.根据权利要求6所述的反射式超导传输线谐振腔，其特征在于：所述耦合微带传输线(2)、齿状耦合电容(3)、微波接入电极(4)以及金属线(6)和直流电压接入电极(5)通过半导体微纳米加工工艺设置在电介质基片(1)上。

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