CN221149356U - 一种量子器件及量子比特信号的读出*** - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种量子器件及量子比特信号的读出***，属于微电子电路技术领域。所述量子器件，包括：形成于衬底上的比特信号输入端、泵浦信号输入端和参量放大器；以及，形成于所述衬底上的耦合部，所述耦合部包括形成耦合的第一耦合元件和第二耦合元件，且所述第一耦合元件的一端与泵浦信号输入端连接，另一端用于连接堵头，所述第二耦合元件的一端与所述比特信号输入端，另一端与所述参量放大器的输入端连接。基于本申请提供的方案，将耦合部和参量放大器集成到同一衬底上，相对于该两个器件分立的状态，对极低温空间的占用小。
Description
技术领域
本申请属于微电子电路技术领域，尤其是量子电路技术领域，特别地，本申请涉及一种量子器件及量子比特信号的读出***。
背景技术
在利用量子芯片执行量子计算时，对各量子比特输出的微弱微波信号的低噪声放大是必不可少的，而参量放大器是应用最广泛的器件。
在量子计算的信号读取***中，通常在稀释制冷机内处于20mk的极低温空间内，将由量子芯片输出的比特信号和与较强的泵浦信号混频，以将较弱的比特信号放大而产生较强的输出信号。为此，两种信号需要耦合再输入参量放大器，而该极低温空间有限，分立的信号耦合器件和放大器件将对制冷机的空间造成极大挑战。
实用新型内容
为解决现有技术中的不足，本申请的目的是提供一种量子器件及量子比特信号的读出***，它提供了一种集成度较高的量子器件，减小了信号读取***对极低温空间的占用。
本申请的一个实施例提供了一种量子器件，包括：形成于衬底上的比特信号输入端、泵浦信号输入端和参量放大器；以及，形成于所述衬底上的耦合部，所述耦合部包括形成耦合的第一耦合元件和第二耦合元件，且所述第一耦合元件的一端与泵浦信号输入端连接，另一端用于连接堵头，所述第二耦合元件的一端与所述比特信号输入端连接，另一端与所述参量放大器的输入端连接。所述参量放大器被配置为在接收到具有在目标频率范围的泵浦信号时放大输入的比特信号。
如上所述的量子器件，在一些实施方式中，所述参量放大器包括行波参量放大器。
如上所述的量子器件，在一些实施方式中，所述行波参量放大器包括约瑟夫森结行波参量放大器。约瑟夫森结行波参数放大器(JTWPA)，它是基于分布式元件的约瑟夫森结的参数放大器。该器件由非线性传输线形成，其中心导体包括大阵列的约瑟夫森结，这些约瑟夫森结用集总元件电容器周期性地分流到接地。
如上所述的量子器件，在一些实施方式中，所述约瑟夫森结行波参量放大器包括：共面波导，和中断所述共面波导的中心迹线的至少一个约瑟夫森结，以及一端接地的电容器，且电容器的另一端连接在相邻两个约瑟夫森结之间。
如上所述的量子器件，在一些实施方式中，所述约瑟夫森结行波参量放大器包括：共面波导，和中断所述共面波导的中心迹线的至少一个超导量子干涉器，以及一端接地的电容器，且电容器的另一端连接在相邻两个超导量子干涉器之间。
如上所述的量子器件，在一些实施方式中，每个所述超导量子干涉器均包括奇数数量的约瑟夫森结。
如上所述的量子器件，在一些实施方式中，每个所述超导量子干涉器均包括两个约瑟夫森结，且两个约瑟夫森结的临界电流不相同。
如上所述的量子器件，在一些实施方式中，还包括用于调节相位的RPM谐振结构，所述RPM谐振结构包括：
第一电容器，其一端连接在相邻两个约瑟夫森结之间；
电感器，其一端耦合到地且另一端耦合至所述第一电容器的另一端；以及，
第二电容器，其一端耦合到地且另一端耦合至所述第一电容器的另一端。
本申请的另一个实施例提供了一种量子比特信号的读出***，包括：多个如上所述量子器件；以及，微波开关，包括与多个所述量子器件一一对应连接的输入端，以及在多个所述输入端之间切换以择一连通的输出端。
与现有技术相比，本申请提供的量子器件，包括：形成于衬底上的比特信号输入端、泵浦信号输入端和参量放大器；以及，形成于所述衬底上的耦合部，所述耦合部包括形成耦合的第一耦合元件和第二耦合元件，且所述第一耦合元件的一端与泵浦信号输入端连接，另一端用于连接堵头，所述第二耦合元件的一端与所述比特信号输入端，另一端与所述参量放大器的输入端连接。基于本申请提供的方案，将耦合部和参量放大器集成到同一衬底上，相对于该两个器件分立的状态，对极低温空间的占用小。
附图说明
图1为本申请提供的一种量子器件的示意图。
具体实施方式
下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。
参量放大器能够满足测量接近量子极限的微弱微波信号，可以应用在量子比特的读出信号测量中。在量子计算的信号读取***中，通常在稀释制冷机内处于20mk的极低温空间内，将由量子芯片输出的比特信号和与较强的泵激信号混频，以将较弱的输入信号放大而产生较强的输出信号。为此，两种信号需要耦合再输入参量放大器，而该极低温空间有限，分立的信号耦合器件和放大器件将对制冷机的空间造成极大挑战。提高集成度，降低器件的空间占用，同时可以保证器件性能满足需求是量子计算对该信号读取***的基本要求。为此，本申请提供一种量子器件及量子器件集成装置。
本申请所涉及的量子器件需要放在极低温(如20mk)的环境中，对于量子器件所包括的元件(如约瑟夫森结)，其超导的部分使用金属铝薄膜构建，在该极低温环境中铝薄膜进入超导状态，也使约瑟夫森结工作。量子器件的测试和运行需要用到两路微波源，一个作为信号微波，一般信号很微弱，另一路为驱动微波，驱动微波为强微波，两个微波的频率不同，使用一个耦合部把两路微波同时输入到参量放大器中，同时在该量子器件的输出端口测量信号频率的微波，得到信号的增益。
图1为本申请提供的一种量子器件的示意图。
结合图1所示，本申请的一个实施例提供了一种量子器件，包括：形成于衬底上的比特信号输入端、泵浦信号输入端和参量放大器；以及，形成于所述衬底上的耦合部，所述耦合部包括形成耦合的第一耦合元件和第二耦合元件，且所述第一耦合元件的一端与泵浦信号输入端连接，另一端用于连接堵头，所述第二耦合元件的一端与所述比特信号输入端连接，另一端与所述参量放大器的输入端连接。所述参量放大器被配置为在接收到具有在目标频率范围的泵浦信号时放大输入的比特信号，并经参量放大器的输出端(即图1所示量子器件的放大信号输出端)输出。
在一些实施方式中，如上所述的量子器件所涉及的参量放大器包括行波参量放大器。行波参量放大器对干扰和制造缺陷不太敏感，更适合在实际应用中使用。在一些实施例中，所述行波参量放大器包括约瑟夫森结行波参量放大器。约瑟夫森结行波参数放大器(JTWPA)，它是基于分布式元件的约瑟夫森结的参数放大器。该类参数放大器由非线性传输线形成，其中心导体的路径上形成有约瑟夫森结，这些约瑟夫森结用电容器周期性地分流到接地，而传输线与地之间形成电容，电容与结并联。约瑟夫森结可以看做是一个非线性电感，当一个足够大的驱动电流通过传输线时，会对传输线的电感产生调制作用，当加入微弱信号后，由于四波混频效应，在强驱动微波的对用下会对信号产生放大作用。
现有的约瑟夫森结行波放大器结构单一，为将两路信号耦合引入该放大器，通常还需要配备分立的耦合器件，因此，又增加了空间占用。另外，对于耦合器件和参量发起分立的结构，约瑟夫森结行波参数放大器(JTWPA)中的放大频带通常很大，这种放大范围对于由量子比特读出的比特信号而言可能太大，可以在量子比特读出期间放大不相关的信号，例如量子比特的脉冲信号，这会导致不稳定。而将耦合器件和参量放大器集成在同一片上，有助于精确的设计频带，把不相关的信号筛选过滤，放大集中在目标频率的比特信号。
需要说的是，利用约瑟夫森结构成放大器的方案有很多种，行波放大器具有以下优点：1、增益在20dB以上的带宽可以达到3GHz。2、由于输出和输入端口分开，不需要额外增加环形器来隔离输入和输出信号。3、可以串联使用，增大增益。4、驱动微波与信号传播方向必须相同，避免了驱动微波反射的问题。在微弱信号的测量有非常重要的应用，约瑟夫森结行波放大器的噪声可以接近量子极限，用于测量数个微波光子的信号。
在一些实施方式中，如上所述约瑟夫森结行波参量放大器包括：共面波导，和中断所述共面波导的中心迹线的至少一个约瑟夫森结，以及一端接地的电容器，且电容器的另一端连接在相邻两个约瑟夫森结之间。
在另一些实施方式中，如上所述约瑟夫森结行波参量放大器包括：共面波导，和中断所述共面波导的中心迹线的至少一个超导量子干涉器，以及一端接地的电容器，且电容器的另一端连接在相邻两个超导量子干涉器之间。示例性的，共面波动的中心迹线可以是渐变的。在一些实施示例中，每个所述超导量子干涉器均包括奇数数量的约瑟夫森结。在一些示例中，每个所述超导量子干涉器均包括两个约瑟夫森结，且两个约瑟夫森结的临界电流不相同。
在一些实施方式中，以三个或两个约瑟夫森结为一个单元，如上所述的量子器件还包括用于调节相位的RPM谐振结构，该RPM谐振结构设于两个单元之间，所述RPM谐振结构包括：第一电容器，其一端连接在该两个单元之间，也即连接在相邻两个约瑟夫森结之间；电感器，其一端耦合到地且另一端耦合至所述第一电容器的另一端；以及，第二电容器，其一端耦合到地且另一端耦合至所述第一电容器的另一端。可以理解的是，一个单元包含的约瑟夫森结还可以是其他数量。
结合图1所示，本申请的另一个实施例提供了一种量子比特信号的读出***，包括：多个如上所述量子器件；以及，微波开关，包括与多个所述量子器件一一对应连接的输入端，以及在多个所述输入端之间切换以择一连通的输出端。在本申请实施例中，微波开关的输出端可在微波开关的多个输入端之间择一的切换，实现输出端和一个输入端的连通，基于本申请提供的量子比特信号的读出***，将耦合部和参量放大器集成到同一衬底上形成用于放大比特信号的量子器件，并将多路量子器件集成到同一衬底上利用微波开关与多个所述量子器件一一对应连接，然后将由其中一个量子器件放大的比特信号经微波开关的输出端输出，相对于各量子器件分立的状态，本申请提供的量子比特信号的读出***对极低温空间的占用更小。
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 (9)
1.一种量子器件，其特征在于，包括：
形成于衬底上的比特信号输入端、泵浦信号输入端和参量放大器；以及，
形成于所述衬底上的耦合部，所述耦合部包括形成耦合的第一耦合元件和第二耦合元件，且所述第一耦合元件的一端与泵浦信号输入端连接，另一端用于连接堵头，所述第二耦合元件的一端与所述比特信号输入端连接，另一端与所述参量放大器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的量子器件，其特征在于，所述参量放大器包括行波参量放大器。
3.根据权利要求2所述的量子器件，其特征在于，所述行波参量放大器包括约瑟夫森结行波参量放大器。
4.根据权利要求3所述的量子器件，其特征在于，所述约瑟夫森结行波参量放大器包括：共面波导，和中断所述共面波导的中心迹线的至少一个约瑟夫森结，以及一端接地的电容器，且电容器的另一端连接在相邻两个约瑟夫森结之间。
5.根据权利要求3所述的量子器件，其特征在于，所述约瑟夫森结行波参量放大器包括：共面波导，和中断所述共面波导的中心迹线的至少一个超导量子干涉器，以及一端接地的电容器，且电容器的另一端连接在相邻两个超导量子干涉器之间。
6.根据权利要求5所述的量子器件，其特征在于，每个所述超导量子干涉器均包括奇数数量的约瑟夫森结。
7.根据权利要求5所述的量子器件，其特征在于，每个所述超导量子干涉器均包括两个约瑟夫森结，且两个约瑟夫森结的临界电流不相同。
8.根据权利要求4所述的量子器件，其特征在于，还包括用于调节相位的RPM谐振结构，所述RPM谐振结构包括：
第一电容器，其一端连接在相邻两个约瑟夫森结之间；
电感器，其一端耦合到地且另一端耦合至所述第一电容器的另一端；以及，
第二电容器，其一端耦合到地且另一端耦合至所述第一电容器的另一端。
9.一种量子比特信号的读出***，其特征在于，包括：
多个如权利要求1至8任一项所述的量子器件；以及，
微波开关，包括与多个所述量子器件一一对应连接的输入端，以及在多个所述输入端之间切换以择一连通的输出端。
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| GR01 | Patent grant | ||
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