CN110095639A - 一种产生交流量子电压的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于产生交流量子电压的装置及方法。通过上位机编程控制电压电流转换电路产生偏置电流，在微波的激励下产生量子电压，量子电压的准确度为10‑9量级，可以利用交流量子电压进行交流信号的测量。本发明产生的阶梯波交流量子电压的台阶建立时间为1.1μs，最高频率为1kHz，可以满足低频交流电压的测量。

Description

一种产生交流量子电压的装置及方法
技术领域
本发明属于计量领域，具体涉及一种用于产生交流量子电压的装置及方法。
背景技术
随着国际单位制(SI)的改革，SI单位制将以经典理论为基础的宏观实物基准，转为以量子物理和基本物理常数为基础的微观自然基准，把微观自然现象和物理效应应用在基本单位计量基准领域，并建立更科学、更完善、更有效的现代计量体系，实现国际上的测量统一。现代计量学的一个发展趋势是利用量子现象复现计量单位，建立计量基准，实现由实物基准向量子计量基准的过渡。国际单位制SI中与电磁量有关的基本单位是安培(A)，长期维持高度稳定的电流标准十分困难。电流单位安培通常是根据欧姆定律，使用保存和复现电压单位伏特及电阻单位欧姆导出。1990年以后，国际上统一使用约瑟夫森效应的原理复现的电压单位来保证国际范围内电压单位溯源的一致性，并定义约瑟夫森常数K(J-90)＝2e/h，其值为483597.9GHz/V。我国也于1993年和1999年先后建立了1V和10V直流约瑟夫森量子电压基准，目前还未建立交流量子电压基准，交流量子电压的合成是建立交流量子电压基准的主要难题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述交流量子电压合成的问题，提供一种用于产生交流量子电压的装置及方法，为交流量子电压动态信号的合成提供一种解决方案。
本发明提出的交流量子电压生成***，包括上位机、时钟、驱动电路、数字电压表、微波源、低温探杆、低温杜瓦和PJVS结阵；其中，
上位机与时钟、驱动电路、数字电压表(DVM)和微波源连接；上位机控制驱动电路产生驱动电流；
数字电压表与上位机和低温探杆连接，数字电压表接收上位机的指令，读取PJVS结阵进行I-V特性扫描时的电压值，然后将读取的电压值送到上位机进行存储，分析电压V波动大于1×10-7V时对应的偏置电流I范围，由于偏置电流小于1mA时认定PJVS结阵无法稳定输出量子电压，因此通过I-V特性判断PJVS结阵工作状态是否正常；
微波源与上位机和低温探杆连接，微波源在上位机的控制下产生微波信号，通过低温探杆将微波信号输出在PJVS结阵上，激励PJVS结阵产生量子电压；优选的，微波信号为20GHz左右。
时钟与上位机、驱动电路、数字电压表和微波源连接，为上位机、驱动电路、数字电压表和微波源提供工作时钟；
低温探杆与驱动电路、数字电压表、微波源、PJVS结阵连接，低温探杆接收驱动电路产生的开关控制信号，控制低温探杆内开关的切换；低温探杆接收驱动电路产生的驱动电流并输出给PJVS结阵，驱动PJVS结阵产生相应的电压值；
PJVS结阵与低温探杆连接，在驱动电路和微波源的控制下产生三种偏置状态，正偏、零位和反偏，用于产生负电压、零电压和正电压；
低温杜瓦为PJVS结阵提供低温，优选的，低温为4K，使PJVS芯片处于超导状态。
进一步的，驱动电路包括模拟开关控制电路和电压电流转换电路，模拟开关控制电路与上位机和低温探杆连接，模拟开关控制电路接收上位机的指令，产生控制低温探杆中开关的信号，使PJVS结阵工作在I-V特性扫描、直流量子电压输出、交流量子电压输出和输出短接四种状态下；
电压电流转换电路与上位机和低温探杆连接，电压电流转换电路接收上位机产生的偏置矩阵，产生偏置电流，并通过低温探杆将偏置电流输送到PJVS结阵，控制PJVS结阵偏置状态。
根据本发明的另一方面，提出一种使用上述交流量子电压生成***的方法，包括以下步骤：
步骤1：上位机发送指令给模拟开关控制电路，使低温探杆内部的开关切换到I-V特性扫描位置，对PJVS结阵的I-V特性进行扫描，确定所需偏置电流大小，根据偏置电流的大小设置驱动电路的电压输出。
步骤2：上位机发送指令给模拟开关控制电路，使低温探杆内部开关切换到量子电压输出状态，上位机控制微波源产生激励PJVS结阵所需微波信号，上位机根据所要合成阶梯波交流量子电压每一个台阶的电压值大小，计算每个台阶对应PJVS结阵14段结的偏置状态(正偏、零偏和反偏)，将偏置状态对应的偏置矩阵存储下来，上位机控制电压电流转换电路产生偏置电流，在微波信号和偏置电流的控制下，根据偏置矩阵、偏置电流大小和线路电阻R计算出电压电流转换电路中DAC输出的偏置电压，在时钟fclk的控制下驱动PJVS结阵动态合成阶梯波交流量子电压信号。
进一步的，还包括步骤3：上位机控制微波源停止微波输出，上位机控制电压电流转换电路停止输出偏置电流，上位机发送指令给模拟开关控制电路，使低温探杆内部开关切换到输出短路状态。
本发明的有益效果：
一种用于产生交流量子电压的装置，是通过上位机编程控制电压电流转换电路产生偏置电流，在微波的激励下产生量子电压，量子电压的准确度为10-9量级，因此交流量子电压具有非常高的准确度，可以利用交流量子电压进行交流信号的测量。本发明产生的阶梯波交流量子电压的台阶建立时间为1.1μs，最高频率为1kHz，可以满足低频交流电压的测量。
附图说明
图1为交流量子电压产生***总体框图；
图2为驱动***总体结构图；
图3为电压电流转换电路原理图；
图4为阶梯波交流量子电压产生时序。
具体实施方式
下面结合附图作进一步的详细说明：
本发明提供了一种用于产生交流量子电压的装置及方法，用于实验室环境下，产生交流量子电压标准信号。通过上位机的控制，实现PJVS结阵的状态扫描和交流量子电压的偏置矩阵合成，结合驱动电路实现偏置电流的产生，控制PJVS结阵输出最高频率为1kHz的阶梯波交流量子电压信号。
本发明的总体思路是，首先上位机控制模拟开关控制电路切换到PJVS结阵I-V特性扫描状态，利用上位机的软件控制，实现PJVS结阵的I-V特性扫描，确定偏置电流大小，将测量的偏置电流大小存储；再通过上位机控制模拟开关控制电路切换到交流量子电压输出状态，调用存储的偏置电流文件，上位机根据所要合成阶梯波交流量子电压每一个台阶的电压值大小，计算每个台阶对应PJVS结阵14段结的偏置状态，将偏置状态对应的偏置矩阵存储下来，根据偏置矩阵、偏置电流大小和线路电阻R计算出电压电流转换电路中DAC输出的偏置电压。最后在时钟fclk的控制下驱动PJVS结阵动态合成阶梯波交流量子电压信号。
本发明的交流量子电压产生装置如图1所示，该装置主要包括上位机、驱动电路、数字电压表(DVM)、微波源、时钟、低温探杆、低温杜瓦和PJVS结阵。
所述上位机与时钟、驱动电路、数字电压表(DVM)和微波源连接。时钟为上位机提供工作时钟，上位机控制驱动电路产生驱动电流，用于驱动PJVS结阵生成量子电压；上位机控制数字电压表读取PJVS结阵进行I-V特性扫描时的电压读取；上位机控制微波源产生20GHz左右的微波用于激励PJVS结阵产生量子电压。
在本实施例中，驱动电路可以包括模拟开关控制电路、电压电流转换电路。
所述模拟开关控制电路与上位机和低温探杆连接，模拟开关控制电路接收上位机的指令，产生控制低温探杆中开关的信号，使PJVS结阵工作在I-V特性扫描、直流量子电压输出、交流量子电压输出和输出短接四种状态下。
所述电压电流转换电路与上位机和低温探杆连接，上位机计算偏置矩阵，根据偏置矩阵和I-V特性扫描的偏置电流设置偏置电压输出，电压电流转换电路接收上位机产生的偏置电压，控制电压电流转换电路产生相应的偏置电流，通过低温探杆输送到PJVS结阵，控制PJVS结阵的偏置状态。
所述数字电压表与上位机和低温探杆连接，数字电压表接收上位机的指令，读取PJVS结阵进行I-V特性扫描时的电压值，然后数字电压表将读取的电压值送到上位机进行存储和分析。
所述微波源与上位机和低温探杆连接，微波源在上位机的控制下产生频率为20GHz左右的微波信号，通过低温探杆将微波信号打在PJVS结阵上，激励PJVS结阵产生量子电压。
所述时钟与上位机、驱动电路、数字电压表和微波源连接，时钟为上位机、驱动电路、数字电压表和微波源提供工作时钟。
所述低温探杆与驱动电路、数字电压表、微波源、PJVS结阵连接，低温探杆接收驱动电路产生的开关控制信号，控制低温探杆内开关的切换；低温探杆接收电压电流转换电路产生的驱动电流供给PJVS结阵，驱动PJVS结阵产生相应的电压值；低温探杆接收微波源的微波信号供给PJVS结阵，用于激励PJVS结阵产生量子效应，结合驱动电流的控制产生量子电压；低温探杆与PJVS结阵连接，用于固定PJVS结阵，并为PJVS结阵和驱动电路、数字电压表和微波源建立联系。
PJVS结阵与低温探杆连接，在驱动电路和微波源的控制下产生三种偏置状态，正偏、零位和反偏，用于产生负电压、零电压和正电压。
低温杜瓦为PJVS结阵提供4K的温度，使PJVS芯片处于超导状态。
本发明的驱动***总体结构如图2所示，PJVS结阵由14段结阵组成，每段结阵均需要如图3所示的电压电流转换电路进行驱动产生量子电压。电压电流转换电路主要包括电压控制、电流驱动和阻抗匹配三部分，电压控制是在上位机的控制下产生相应的驱动电压，经过电流驱动和阻抗匹配两部分后转换成相应的驱动电流。
利用所述交流量子电压产生装置实现阶梯波量子电压信号产生的方法，主要包括如下几个步骤：
步骤1：I-V特性扫描。上位机发送指令给模拟开关控制电路，使低温探杆内部的开关切换到I-V特性扫描位置，在上位机内部软件的控制下，对PJVS结阵的I-V特性进行扫描，确定所需偏置电流大小，根据偏置电流的大小设置驱动电路的电压输出。
步骤2：量子电压输出。上位机发送指令给模拟开关控制电路，使低温探杆内部开关切换到量子电压输出状态，上位机控制微波源产生激励PJVS结阵所需微波信号，上位机计算量子电压输出所需PJVS结阵的偏置状态(正偏、零偏和反偏)，上位机控制电压电流转换电路产生相应的偏置电流，控制PJVS结阵偏置状态合成所需量子电压。
步骤3：停止工作。上位机控制微波源停止微波输出，上位机控制电压电流转换电路停止输出偏置电流，上位机发送指令给模拟开关控制电路，使低温探杆内部开关切换到输出短路状态。

Claims (7)

1.一种交流量子电压生成装置，包括上位机、时钟、驱动电路、数字电压表、微波源、低温探杆、低温杜瓦和PJVS结阵，其中：
上位机与时钟、驱动电路、数字电压表(DVM)和微波源连接，上位机控制驱动电路产生驱动电流；
数字电压表与上位机和低温探杆连接，数字电压表接收上位机的指令，读取PJVS结阵进行I-V特性扫描时的电压值，然后将读取的电压值送到上位机进行存储和分析；
微波源与上位机和低温探杆连接，微波源在上位机的控制下产生微波信号，通过低温探杆将微波信号输出在PJVS结阵上，激励PJVS结阵产生量子电压；
时钟与上位机、驱动电路、数字电压表和微波源连接，为上位机、驱动电路、数字电压表和微波源提供工作时钟；
低温探杆与驱动电路、数字电压表、微波源、PJVS结阵连接，低温探杆接收驱动电路产生的开关控制信号，控制低温探杆内开关的切换；低温探杆接收驱动电路产生的驱动电流并输出给PJVS结阵，驱动PJVS结阵产生相应的电压值；
PJVS结阵与低温探杆连接，在驱动电路和微波源的控制下产生三种偏置状态，正偏、零位和反偏，用于产生负电压、零电压和正电压；
低温杜瓦为PJVS结阵提供低温，使PJVS芯片处于超导状态。
2.根据权利要求1所述的交流量子电压生成装置，其特征在于，驱动电路进一步包括模拟开关控制电路和电压电流转换电路，模拟开关控制电路与上位机和低温探杆连接，模拟开关控制电路接收上位机的指令，产生控制低温探杆中开关的信号，使PJVS结阵工作在I-V特性扫描、直流量子电压输出、交流量子电压输出和输出短接四种状态下；
电压电流转换电路与上位机和低温探杆连接，电压电流转换电路接收上位机产生的偏置电压，产生偏置电流，并通过低温探杆将偏置电流输送到PJVS结阵，控制PJVS结阵偏置状态。
3.根据权利要求2所述的交流量子电压生成装置，其中电压电流转换电路主要包括电压控制、电流驱动和阻抗匹配三部分，电压控制是在上位机的控制下产生相应的驱动电压，经过电流驱动和阻抗匹配两部分后转换成相应的驱动电流。
4.根据权利要求1所述的交流量子电压生成装置，其特征在于，微波源产生的微波信号为20GHz左右。
5.根据权利要求1所述的交流量子电压生成装置，其特征在于，低温为4K。
6.一种根据权利要求1所述的交流量子电压生成装置产生量子电压的方法，包括以下步骤：
步骤1：上位机发送指令给模拟开关控制电路，使低温探杆内部的开关切换到I-V特性扫描位置，对PJVS结阵的I-V特性进行扫描，确定所需偏置电流大小，根据偏置电流的大小设置驱动电路的电压输出；
步骤2：上位机发送指令给模拟开关控制电路，使低温探杆内部开关切换到量子电压输出状态，上位机控制微波源产生激励PJVS结阵所需微波信号，上位机根据所要合成阶梯波交流量子电压每一个台阶的电压值大小，计算每个台阶对应PJVS结阵14段结的偏置状态(正偏、零偏和反偏)，将偏置状态对应的偏置矩阵存储下来，上位机控制电压电流转换电路产生偏置电流，在微波信号和偏置电流的控制下，根据偏置矩阵、偏置电流大小和线路电阻R计算出电压电流转换电路中DAC输出的偏置电压，在时钟fclk的控制下驱动PJVS结阵动态合成阶梯波交流量子电压信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括步骤3：上位机控制微波源停止微波输出，上位机控制电压电流转换电路停止输出偏置电流，上位机发送指令给模拟开关控制电路，使低温探杆内部开关切换到输出短路状态。
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