CN220173211U - 一种阻抗匹配参量放大器、组件和量子计算机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种阻抗匹配参量放大器、组件和量子计算机，属于量子计算技术制造领域。该阻抗匹配参量放大器包括集成到衬底的放大电路。其中的放大电路包括：约瑟夫森参量放大器、环形器以及反射式阻抗变换器。反射式阻抗变换器的两端分别与约瑟夫森参量放大器和环形器。该阻抗匹配参量放大器通过将各部件在衬底中集成，从而具有更高的集成度，减少各种分立器件、独立设备之间的复杂的线路以及由此产生的阻抗适配问题，还能够降低噪声。

Description

一种阻抗匹配参量放大器、组件和量子计算机

技术领域

本申请属于量子信息领域，尤其是量子计算技术制造领域，特别地，本申请涉及一种阻抗匹配参量放大器、组件和量子计算机。

背景技术

在超导量子***中，为了得到量子计算的结果，会对量子处理器所输出的信号进行采集和分析。但是，一般的输出信号非常微弱，从而选择在信号的输出线路中叠加多级放大器，以便提高信号强度。其中的放大器可以被实现为量子参量放大器；其是一种具有接近量子极限噪声的参量放大器。

实现量子处理器输出信号的放大，不仅需要量子参量放大器实现主要的信号放大功能，还需要其他独立元器件完成信号传输、信号隔离等功能。因此，这些独立的元器件之间的连接会产生严重的阻抗失配，从而影响量子参量放大器的性能，出现增益发生抖动的现象，严重时会导致中心频点偏移，增益带宽不足等现象。并且这些元器件的具有较大的体积占用，从而使得超导量子芯片的支持***如冷却***中的空间可利用性降低。

实用新型内容

本申请的示例提供了一种阻抗匹配参量放大器、组件和量子计算机。该方案能够使得超导量子计算机中设备线路配置复杂度降低，减少空间占用，并且可以具有更强的抗干扰性能。

本申请示例的方案，通过如下内容实施。

在第一方面，本申请的示例提出了一种阻抗匹配参量放大器。其包括集成到衬底的放大电路。其中的放大电路包括：

约瑟夫森参量放大器，耦合有输入泵浦信号的控制电路；

环形器，具有含约瑟夫森结的环路，环路定义有接受待放大信号的第一端口，以及第二端口和接受经放大形成并从第二端口输入的目标信号的第三端口；以及

反射式阻抗变换器，一端与约瑟夫森参量放大器连接、且另一端与环形器的第二端口耦合。

根据本申请的一些示例，约瑟夫森参量放大器包括：具有公共端的第一电路和第二电路，约瑟夫森参量放大器通过公共端与反射式阻抗变换器连接；

其中第一电路包括一端接地的电容器，第二电路包括提供非线性电感的器件，提供非线性电感的器件具有一端接地的约瑟夫森结。

根据本申请的一些示例，提供非线性电感的器件具有至少两个约瑟夫森结；

或者，提供非线性电感的器件是超导量子干涉仪电路；

或者，提供非线性电感的器件具有至少一个环形子电路，至少有一个子电路含有两个以上的约瑟夫森结；

或者，提供非线性电感的器件包括在环形子电路中的约瑟夫森结，控制电路还被配置为输入偏置信号，以改变提供非线性电感的器件的电感值。

根据本申请的一些示例，环形器具有三个约瑟夫森结，并且约瑟夫森结与第一端口、第二端口和第三端***替布置于环形电路中。

根据本申请的一些示例，第一端口、第二端口和第三端口各自电容耦合独立的驱动电路，第一端口电容耦合有独立的信号电路，第三端口作为信号输出端。

根据本申请的一些示例，阻抗匹配参量放大器还包括：集成到衬底上的隔离器，隔离器连接到第三端口以阻止后级信号反射回前级。

根据本申请的一些示例，隔离器是基于约瑟夫逊结的隔离器；

或者，隔离器的数量为至少两个，且全部的隔离器串联；

或者，隔离器包括一端接地、且另一端连接至环形器的第三端口的并联电路，并联电路包括并联的电容器和超导量子干涉仪，并且超导量子干涉仪通过磁场受控地耦合有操作电路。

在第二方面，本申请的示例提出了一种阻抗匹配参量放大器组件，包括多个阻抗匹配参量放大器；各个阻抗匹配参量放大器通过微波开关共用地连接信号输出线路。

根据本申请的一些示例，阻抗匹配参量放大器组件还包括独立于衬底配置的低噪声放大器，信号输出线路连接低噪声放大器。

在第三方面，本申请的示例提出了一种量子计算机，包括前述的阻抗匹配参量放大器，或阻抗匹配参量放大器组件。

有益效果：

既有的参量放大器通常采用各种分立器件和设备，通过诸如同轴电缆等线路进行连接组装而成。但是这样的放大器存在体积大，从而当被应用于超导量子计算机以对量子比特进行读取操作时，会占用较多的制冷机空间。并且，各种线路的使用使得阻抗匹配难度大，且容易产生和受到噪声的不利影响。

而本申请示例中的阻抗匹配参量放大器通过将放大电路集成到衬底中，因此可以显著地降低其体积，以及空间占用。另外，由于各结构集成到衬底，相应地，各结构之间的连接也是集成到衬底。如此，线路可以根据实际的阻抗匹配需求进行设计和制造，从而使得其质量和阻抗设计的一致性和匹配性更高。并且在将各结构进行片上的集成可以更利于进行电磁特性设计，以改善抗噪声性能。

附图说明

为了更清楚地说明，以下将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请示例中的约瑟夫森参量放大器的示意性原理框图；

图2为本申请示例基于三个约瑟夫森结所构建的环形器的示意性原理框图；

图3为图2的环形器与相应的信号电路、驱动电路连接的示意性原理框；

图4为本申请示例中的阻抗匹配参量放大器的示意性原理框；

图5为本申请示例中的另一种阻抗匹配参量放大器的示意性原理框；

图6为本申请示例中的一种阻抗匹配参量放大器组件的示意性原理框；

图7为本申请示例中的另一种阻抗匹配参量放大器组件的示意性原理框。

附图标记说明：100-约瑟夫森参量放大器；101-公共端；102-第一电路；1021-电容器；103-第二电路；1031-约瑟夫森结；104-控制电路；200-环形器；201-驱动电路；202-信号电路；300-反射式阻抗变换器。

具体实施方式

由于超导量子比特具有对噪声的强敏感性，因此，其非常容易受到各种噪声的影响。而要进行量子计算需要对量子比特进行各种控制操作，并且为了获得量子计算的结果，需要进行读取操作。那么这些操作都可能对量子比特产生不可预期得各种影响。

特别地，在进行读取操作所获得的信号非常微弱，因此进行放大以便进行有价值的解读。而目前的一些微波器件中的放大器会在放大信号的同时引入噪声，从而使得实际的读取获得信号的解读是难以实现的。在这样的前提下，应用参量放大器。参量放大器能够满足测量接近量子极限的微弱微波信号。

目前，超导量子芯片被配置到稀释制冷机中进行操作。而稀释制冷机的空间以及制冷功率是有限和宝贵的。并且考虑到量子比特所需要使用的各种操作线路、元器件的数量也通常较多。如果参量放大器占有了过多有限的空间会极大地限制所能够实现的量子芯片的性能。同时考虑到参量放大器内部各种线路的连接的稳定性以及阻抗特性等都可能使得其实际的使用价值低于预期。

考虑到上述的现实情况，在本申请的示例中，发明人提出了一种解决方案，从而在很大程度上环节了目前的参量放大器所存在的问题。通过该解决方案，可以实现参量放大器的高集成度，并且也可以降低内部部件之间连接线路的诸如稳定性、阻抗特性难匹配于设计需求等问题。特别地，该方案是一种片上集成的参量放大器，因此，具有更优化的空间利用率，从而可以显著地减小空间占用。

其中，在示例的解决方案中，发明人将约瑟夫森参量放大器与环形器通过反射式的阻抗匹配结构进行配合连接。由此通过环形器输入有待放大的信号，并且通过约瑟夫森参量放大器输入泵浦信号，从而进行信号的放大，然后再通过环形器将经过放大形成的目标信号予以输出。

示例性地，在一些示例中，发明人提出了一种阻抗匹配参量放大器。并且特别地，该阻抗匹配参量放大器是集成式的，其中的各种部件被集成到衬底中，从而使得其整体的体积尺寸更小，各部件之间的匹配度高且能够根据需要预先地设计且制造后能够与设计目标更好地匹配，同时也能够更好地防止受到环境的消极影响。

示例中，该阻抗匹配参量放大器主要包括集成到衬底上的放大电路。并且该放大电路包括如前述的约瑟夫森参量放大器、环形器以及反射式阻抗变换器。

顾名思义，约瑟夫森参量放大器(Josephson Parametric Amplifier，简称JPA)是基于约瑟夫森结所构建的。其大量的宏观自由度能够在超导状态下被冻结，从而可以避免引入额外的噪声，进而可以“完美”实现信号的放大。在约瑟夫森参量放大器中，提供了一种使用约瑟夫森结和电容组成了非线性LC谐振电路。其中的约瑟夫森结可以作为等效的非线性电感。

在进行放大时，通过周期性地，调制其中的等效的非线性电感，泵浦能量可以使电路被驱动至非线性工作区域。并且当泵浦信号的频率(ω_p)处于合适的频率和幅度时，参量放大将能量转换成输入信号、与伴生信号能量如各种闲频信号。通常，在泵浦信号的频率等于待放大信号的频率时能够进行的放大工作。部分示例中，通过适当的设计，可以实现三波混频放大，或者四波混频放大。对应地，在三波混频放大的模式下，输入的泵浦信号的频率可被选择为等于待放大信号的频率。类似地，在四波混频放大的模式下，则输入的泵浦信号的频率可被选择为等于两倍的待放大信号频率。

如此的约瑟夫森参量放大器具有较低的损耗、且其参数易于设计和表征，同时还具有好的增益和能够接近量子噪声极限性能的放大效果。

一种可选的实例中，约瑟夫森参量放大器包括一个约瑟夫森结(即单结)和电容并联的结构。或者，其他的实例中，约瑟夫森参量放大器也可以包括一个超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device，简称SQUID)和一个电容的并联结构。其中的SQUID可以是：是具有两个约瑟夫森结的直流超导量子干涉仪，即DC-SQUID。

大体上，如图1所示，在本申请的示例中，约瑟夫森参量放大器100包括：具有公共端101的第一电路102和第二电路103，并且约瑟夫森参量放大器100通过公共端101与反射式阻抗变换器300连接。其中第一电路102包括一端接地的电容器1021，第二电路103包括提供非线性电感的器件，提供非线性电感的器件具有一端接地的约瑟夫森结1031。

在不同的示例中，可以根据需要进行不同的配置，以实现不同结构的约瑟夫森参量放大器100。其中的提供非线性电感的器件可以具有数量为一个或多个的约瑟夫森结1031。在提供非线性电感的器件具有至少两个约瑟夫森结1031的示例中，其中的两个或多个约瑟夫森结1031可以是在环路中的，而其他的一个或多个约瑟夫森结1031也可以选择配置到非环路中。因此，部分情况下提供非线性电感的器件是超导量子干涉仪电路；即在环路中的两个并联的约瑟夫森结1031。

类似地，在另一些示例中，提供非线性电感的器件具有至少一个环形子电路，并且至少有一个子电路含有两个以上的约瑟夫森结1031。需要指出在一个环形子电路中仅具有一个约瑟夫森结1031时，要避免约瑟夫森结1031的两电极的短路。

对于具有在环路中的多个约瑟夫森结1031形式的提供非线性电感的器件(如squid)示例而言，用于输入泵浦信号的控制电路104还可以被配置为能够输入偏置信号(可以提供偏置电流，例如通过电压源等提供)，以改变提供非线性电感的器件的电感值。因此，控制电路104可以实现直流偏置和射频泵浦信号的合成，并耦合入提供非线性电感的器件中。其中直流偏置和射频泵浦信号的合成可以通过偏置器(Bias-Tee)来实现。Bias-Tee是一种能够在不干扰其他器件的前提下配置直流偏置点的三端网络。偏置器能够将来自不同线路或设备的信号—直流信号和微波信号—进行合成。

在能够通过控制电路104实现传输合成的偏置信号和泵浦信号的示例中，通过对偏置信号和泵浦信号的共同有意地选择，可能实现经过放大后的信号中的实际需要的目标信号与其他通常不希望的干扰信号之间具有易于区分的频率间隔—例如在频谱上具有能够被滤波器进行不同信号的拆分—从而能够使得被放大而获得目标信号可以更方便地提取。

这是考虑到如前文述提及的三波混频放大模式下，泵浦信号与待放大信号具有相同的频率，从而使得放大后的目标信号与泵浦信号不容易进行分开、并因此使得放大后的目标信号难以被提取。

接前述，示例的阻抗匹配参量放大器中的环行器(或称为循环器)，其能够单向传输高频信号能量。其能够将进入其任一端口的入射信号，按照确定的方向顺序地传入下一个端口；并且通常为多端口器件。本申请的图示中，环形器200同样是一个多端口器件，并且为三端口器件。其他示例中，环形器200还可以是四端口器件，或更多端口的器件(可以通过将多个环形器200进行级联的方式实现)。

基于在超导量子体系中的应用现实(毫开温度)，并且在本申请的部分示例中被集成到衬底中，因此，可以选择使用基于约瑟夫森结1031进行环形器200的构建。例如，在图示的环形器200中，环形器200具有三个约瑟夫森结1031。并且，约瑟夫森结1031与第一端口、第二端口和第三端***替布置于环形电路中；请参阅图2，其中在环路上的顺序地相邻的两个约瑟夫森结1031(图2中的交叉部分)确定一个端口。

其中，该环形器200具有含约瑟夫森结1031的环路，并且在该环路中定义出第一端口、第二端口以及第三端口。其中，第一端口能够接受待放大信号，待放大信号从第二端口输出到JPA。在其中，通过泵浦信号的激励下获得能量而放大形成目标信号。目标信号反射入第二端口，再进入第三端口。即，第三端口能够接受经放大形成并从第二端口输入的目标信号。

为了方便于使用例如进行信号的输入以及环形器200的驱动，第一端口、第二端口和第三端口各自电容耦合独立的驱动电路201(可以用以输入偏置电压，被以环形器200的工作条件方式使用)，而第一端口电容耦合独立的信号电路202，第三端口则作为信号输出端。其中，信号电路202用于实现相应的信号传输，而驱动电路201则可以提供环形器200的工作条件。在图3中记载了通过电容耦合的方式结合到环形器200的端口的信号电路202和驱动电路201；并且作为示例标注了一个端口中的信号电路202和驱动电路201。需要指出的是，如前述环形器200的第二端口是通过反射式阻抗变换器300与JPA实现连接。因此，对应与第二端口的信号电路202可以由连接第二端口和反射式阻抗变换器300之间的传输线所提供。

接前述，阻抗匹配参量放大器中还配置了反射式阻抗变换器300。并且其一端与约瑟夫森参量放大器100连接(通过前述的公共端101)、且另一端与环形器200的第二端口耦合，例如是通过与第二端口的信号线进行电容耦合。作为示例，反射式阻抗变换器300包括Klopfenstein阻抗变换线，或者还可以是λ/4波长和λ/2波长阻抗变换线形式，或者直接使用λ/4波长阻抗变换线，或者通过分立器件构成的阻抗变换结构。一般地，反射式阻抗变换器300还可以反射式谐振腔，并且例如被选择为采用共面波导传输线来实现。

基于上述的描述示例中的阻抗匹配参量放大器可以由图4所示的结构进行公开；并且，其中的各输入输出信号以及各偏置配置均被给出。并且示例中，约瑟夫森参量放大器100耦合有输入泵浦信号的控制电路104。

因此，整体上，主要通过将JPA和反射式阻抗变换器300进行配合可以构成一种反射式的阻抗匹配参量放大器(Impedance Matched Parametric Amplifier，简称IMPA)。

在该图4结构的基础上，考虑到已经放大后的输出信号在向后级传递的过程中，可能会因为阻抗匹配问题而放生反射，进而可能影响到前一级的信号。因此，进一步地，可以选择配置隔离器。隔离器的数量为无特别之限定，通常可以选择配置一个。当选择配置多个如至少两个隔离器时，全部的隔离器可以串联的方式进行配合。

作为集成的使用方式，一些示例中的隔离器同样可以集成到衬底上。

根据其使用方式，隔离器是连接到第三端口的，从而能够用以阻止后级信号反射回前级；即隔离器的作用是使信号单向导通，防止信号反射的干扰。

在本申请的示例中，基于在超导量子比特工作的低温环境，也可以选择使得隔离器是基于约瑟夫逊结而构建，并且这也便于进行在衬底中的集成。

作为一种具体且可替代的实例，隔离器包括一端接地、且另一端连接至环形器200的第三端口的并联电路。其中的并联电路包括并联的电容器1021和超导量子干涉仪。并且超导量子干涉仪通过磁场受控地耦合有操作电路。在如图5所示的电路中，隔离器包括两个连接在输出线路中的前述并联电路。

由于该图5中的隔离器中使用了约瑟夫森结1031(通过超导量子干涉仪的形式使用)，因此其能够与通过使用超导量子干涉仪结构构建的JPA用同一种工艺制作。并且利用该形式的隔离器能够实现利用诸如射频信号(通过操作电路提供)对SQUID的射频调制的相位依赖实现非互易性传输。

此外为了优化电路，在输出电路中还配置匹配电路。其可以作为导纳变换器，从而构成电路中具有特定长度(由工作频率确定)的波导。匹配电路的数量通常依赖于隔离器中并联电路(更具体而言是并联电路中的超导量子干涉仪)的数量进行选择。例如，而其中的超导量子干涉仪的数量是对应于极点数的。因此，在两极隔离中，选择两组超导量子干涉仪和三组匹配电路；如果是三极隔离，则选择三组超导量子干涉仪和四组匹配电路。在图5中设计了两极隔离，因此，具有三个匹配电路，以及对应的两个超导量子干涉仪。

由于在超导量子计算体系中通常都会涉及到多路信号的放大，因此，一些示例中可能希望配置多个放大器。因此，示例中还公开了一种阻抗匹配参量放大器组件，其包括多个阻抗匹配参量放大器。并且，各个阻抗匹配参量放大器通过微波开关共用连接有信号输出线路；如图6所示。

进一步地，各个阻抗匹配参量放大器组件还可以各自配置低噪声放大器。或者，通过微波开关等设备实现各放大器共用一个低噪声放大器；即复用低噪声放大器，例如图7所示。其中的低噪声放大器还可以配置到衬底，并且通过信号输出线路连接低噪声放大器(Low Noise Amplifier，简称为LNA)。

其中，每个阻抗匹配参量放大器由虚线框所标识。各阻抗匹配参量放大器具有独立的信号输入通路，同时各自还具有相应的输入泵浦信号的控制电路104。并且各自环形器200的对应端口可以共用驱动电路201。由于每个环形器200具有三个端口，因此，该结构中可以具有三个驱动电路201的信号源。

此外，可以知晓，通过在量子计算机或其他的量子计算***中—尤其是超导量子体系中—使用前述的阻抗匹配参量放大器或其组件(可以作为读取***或组件的一部分)，能够有效地控制相关装置、***的体积，以及在进行信号传输过程中的信号的信噪比。

上面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，前文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。在上文的描述中，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、***、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。

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 (10)

1.一种阻抗匹配参量放大器，其特征在于，包括集成到衬底的放大电路，所述放大电路包括：

约瑟夫森参量放大器，耦合有输入泵浦信号的控制电路；

环形器，具有含约瑟夫森结的环路，所述环路定义有接受待放大信号的第一端口，以及第二端口和接受经放大形成并从第二端口输入的目标信号的第三端口；以及

反射式阻抗变换器，一端与约瑟夫森参量放大器连接、且另一端与环形器的第二端口耦合。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配参量放大器，其特征在于，约瑟夫森参量放大器包括：具有公共端的第一电路和第二电路，所述约瑟夫森参量放大器通过所述公共端与反射式阻抗变换器连接；

其中第一电路包括一端接地的电容器，第二电路包括提供非线性电感的器件，所述提供非线性电感的器件具有一端接地的约瑟夫森结。

3.根据权利要求2所述的阻抗匹配参量放大器，其特征在于，提供非线性电感的器件具有至少两个约瑟夫森结；

或者，提供非线性电感的器件是超导量子干涉仪电路；

或者，提供非线性电感的器件具有至少一个环形子电路，至少有一个子电路含有两个以上的约瑟夫森结；

或者，提供非线性电感的器件包括在环形子电路中的约瑟夫森结，所述控制电路还被配置为输入偏置信号，以改变所述提供非线性电感的器件的电感值。

4.根据权利要求1所述的阻抗匹配参量放大器，其特征在于，环形器具有三个约瑟夫森结，并且约瑟夫森结与第一端口、第二端口和第三端***替布置于环形电路中。

5.根据权利要求4所述的阻抗匹配参量放大器，其特征在于，第一端口、第二端口和第三端口各自电容耦合独立的驱动电路，第一端口电容耦合有独立的信号电路，第三端口作为信号输出端。

6.根据权利要求1所述的阻抗匹配参量放大器，其特征在于，阻抗匹配参量放大器还包括：集成到衬底上的隔离器，所述隔离器连接到第三端口以阻止后级信号反射回前级。

7.根据权利要求6所述的阻抗匹配参量放大器，其特征在于，隔离器是基于约瑟夫逊结的隔离器；

或者，隔离器的数量为至少两个，且全部的隔离器串联；

或者，隔离器包括一端接地、且另一端连接至环形器的第三端口的并联电路，所述并联电路包括并联的电容器和超导量子干涉仪，并且超导量子干涉仪通过磁场受控地耦合有操作电路。

8.一种阻抗匹配参量放大器组件，其特征在于，包括多个权利要求1至7中任意一项所述的阻抗匹配参量放大器；

各个阻抗匹配参量放大器通过微波开关共用连接有信号输出线路。

9.根据权利要求8所述的阻抗匹配参量放大器组件，其特征在于，阻抗匹配参量放大器组件还包括独立于衬底配置的低噪声放大器，信号输出线路连接低噪声放大器。

10.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求1至7中任意一项所述的阻抗匹配参量放大器，或权利要求8或9所述的阻抗匹配参量放大器组件。