一种基于非对称环形腔的量子环形器的制作方法

本发明涉及一种微波电路的量子环形器，尤其涉及一种基于非对称环形腔的量子环形器。

背景技术：

在量子比特操控中，一般使用反射腔作为量子比特操控与读取的通道，在芯片外界看来，操控信号与反馈信号经过同一个端口。为了消除操控信号与反馈信号的干扰，需要使用微波环形器，将两路信号隔离开。

传统的环形器是利用磁场偏置铁氧体材料各向异性特性工作的，但是其中的磁场过强，会严重降低量子比特的相干时间，故只能对环形器做磁屏蔽处理。在对多量子比特芯片实施操控时，需要加多个环形器，使得整个量子芯片的测控系统十分臃肿，并且影响了进一步的集成化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于非对称环形腔的量子环形器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于非对称环形腔的量子环形器，包括两条共面波导传输线、一条半波长共面波导透射腔、两个squid环以及一条用于施加垂直磁场的直流偏置线；

所述squid环与分别与所述半波长共面波导透射腔两端耦合，所述半波长共面波导透射腔再与所述两条共面波导传输线耦合，构成一个四端口装置。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于非对称环形腔的量子环形器，能够在极低温下工作的极弱磁的环形器，来取代必须实施磁屏蔽措施的传统环形器，以满足多量子比特芯片操控的需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于非对称环形腔的量子环形器的俯视结构示意图；

图2为本发明实施例中的squid环部分的细节图(图1中虚线框的放大图)；

图3a为本发明实施例中的量子环形器的能级示意图；

图3b为本发明实施例中的量子环形器的能级绕行示意图。

图中：

介质基片1、量子环形器的地平面2、共面波导传输线3、半波长共面波导透射腔4、squid环5、直流偏置线6。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的基于非对称环形腔的量子环形器，其较佳的具体实施方式是：

包括两条共面波导传输线、一条半波长共面波导透射腔、一个squid环以及一条用于施加垂直磁场的直流偏置线；

所述squid环与所述半波长共面波导透射腔耦合，所述半波长共面波导透射腔再与所述两条共面波导传输线耦合，构成一个四端口装置。

所述squid环放在所述半波长共面波导透射腔的端口处。

所述直流偏置线紧靠所述半波长共面波导传输线，所述半波长共面波导传输线与地平面之间的线宽比遵从50欧姆阻抗匹配原则，比如在硅基片上线宽比为10:6，蓝宝石上为10:5。

所述半波长共面波导透射腔形状为矩形、圆形或者多边形结构。

该量子环形器的整体尺寸小于5mm×5mm，其电路结构均使用超导材料加工制备，并集成在量子芯片中。

本发明的基于非对称环形腔的量子环形器，能够满足无磁化的多量子比特操作。

本发明的基于非对称环形腔的环形器(以下简称环形器)，由两条共面波导传输线、一条半波长共面波导透射腔、两个squid以及一条用于施加垂直磁场的直流偏置线组成。环形器通过通用的半导体加工技术制备，整体尺寸小于5mm×5mm。

在本发明中，电路一般使用金属铌或者铝加工，这两种金属均是超导材料，保证在这两种金属的临界温度以下工作时，电路处于超导态，大幅降低电路损耗，并且极大的降低了由环形器引入的附加噪声。衬底一般采用高阻硅(>10kω·cm)或者蓝宝石基片，这两种材料的介质损耗极低，能够保证信号经过环形器引起的插入损耗尽可能小。工作时衬底底部需要贴附在金属热沉上，确保器件有良好的导热，能够正常工作在超导临界温度之下。

在本发明中，两个squid环分别与一条半波长共面波导透射腔的两个端口耦合，后者(谐振腔)再与两条共面波导传输线耦合，构成一个四端口装置。与普通的三端口环形器不同，四端口可以等效为两个3端口环形器的级联。比如说：信号从1端口进入，通过2端口进入芯片中，芯片反射回的信号从2端口到3端口，3端口输出到一个约瑟夫森参量放大器中，再返回放大后的信号，从四端口输出。这样，原来需要两个经典环形器实现的过程，可以集成在同一个量子环形器中，大大提高了空间的利用。

在本发明中，和传统环形器利用磁场偏置铁氧体材料各向异性特性工作不同，环形器的工作原理主要是依靠中心共面波导透射腔和与其电容耦合的squid环构建的人造v型能级的不同跃迁过程来控制环形器中信号的绕行方向。squid是一种超导量子干涉装置，由两个超导约瑟夫森结并联成环，构成了一个量子比特。两个squid环的面积稍有不同，使得两个比特的激发态能级稍有区别，通过脉冲控制两个比特从基态跃迁到激发态的顺序，我们可以控制微波在共面波导透射腔中的绕行方向，进而实现环形器的功能，隔离度i(t是端口透射率)可以达到10db以上，满足量子芯片实验的隔离要求。

在本发明中，squid环放在半波长共面波导透射腔的端口处，由于透射腔的终端都是电压波腹，幅值最大，可以保证squid和腔的耦合达到最大，最好的调节环形方向。

在本发明中，环形器的工作频段的调节由squid环完成。由于v型能级的存在，只有以能级跃迁频率为中心小范围(这个范围与透射腔的品质因数有关，由制作工艺等决定，品质因数越大范围越小)内的微波可以通过谐振腔，所以为了实用性，我们通过加一条直流偏置线的方法来调节工作频段。直流偏置线的结构是末端直接到接地平面的共面波导，在通上直流电流以后会以偏置线为轴心形成磁场分布，这个磁场远小于普通磁体产生的磁场。通过调节squid环中的垂直磁场大小能改变其通路临界电流大小，从而改变其电感的大小，进而改变透射腔的共振频率，最终完成对滤波器工作频段在2—10ghz的调节，调节频段远大于商用环形器。

在本发明中，这种非对称量子环形器的制备方法，是在基片上依次进行紫外光刻，显影，电子束曝光，电子束蒸发镀膜，剥离等纯熟的半导体制作工艺，制备简单可流程化，并且其占空间小，非常适用于大规模集成化加工。与超导量子芯片相似的制备流程，后期可以考虑集成到量子芯片上一次性加工，使得其与量子芯片的兼容性好。

采用本发明使用的技术方案，完全能满足量子芯片实验中信号控制的需要，具体表现在：

本发明利用能级来控制环形器绕行方式的工作原理，大大削弱了环形器的磁场，对超导量子比特的影响减小；

本发明整体尺寸不到5mm×5mm，占空间小，易于大规模集成；

本发明的电路结构均使用超导材料加工制备，大幅降低了电路损耗，并且同时极大降低了环形器的引入噪声；

本发明通过直流偏置线施加弱磁场，可以大幅调节环形器的工作区间，实现2—10ghz的大范围工作频段；

本发明四端口的设计，可以实现信号的级联，等效于两个传统环形器叠加作用的效果，大大提高了空间利用率；

本发明采用通用的半导体加工工艺，后期可以集成在量子芯片中，减小空间占据；

本发明中心半波长共面波导透射腔形状不仅限于矩形(与两边共面波导传输线耦合最好)，圆形结构或者多边形结构均可实现此环形器，推广性强。

具体实施例：

附图1为本发明实施例提供的一种基于非对称环形腔的量子环形器的俯视图。本发明由以下几部分组成：介质基片1、环形器的地平面2、共面波导传输线3、半波长共面波导透射腔4、squid环5、直流偏置线6。所有的灰色区域为金属沉积区域，所用的金属材料是铝或者铌，白色区域为没有金属的区域，是裸露的衬底。

本发明在设计过程中首先要选定使用的基片(例如：晶向[100]，厚度0.5mm，硅基片，散射正切值2e-7等指标)，在附图1所示的一种基于非对称环形腔的量子环形器的俯视图中，整个结构的尺寸仅有2500um×2000um，所有共面波导结构中央导带线与共面地平面间距比遵从50欧姆阻抗匹配原则，比如在硅基片上线宽比为10:6，蓝宝石上为10:5。

附图2是对squid放置的细节图。squid放置在共面波导透射腔的一端，用电子束曝光单独制作，右侧直流偏置线靠透射腔一侧的长度覆盖整个结区。谐振腔两端口间距考虑比特耦合强度，推荐取5um，可以加大，但不宜超过谐振腔矩形结构边长的一半。

本发明的加工步骤如下：

在一块洁净的基片上，甩上光刻胶，利用紫外光刻技术，写出环形器除了squid环以外的基本图案，显影。

在显影后的样品上，使用电子束蒸发沉积100nm厚的铝，或者使用磁控溅射镀膜在整个基片表面沉积100nm厚的铌。

再在样品上甩一层电子束刻蚀胶，利用eline电子束曝光，得到squid的图案，显影。

在显影后的片子上，利用双层斜角蒸发技术，使用电子束蒸发得到squid的结构，注意，squid必须要用铝加工。

使用划片机切割，完成环形器成品的加工。

附图3a是依靠中心共面波导透射腔和与其电容耦合的squid环构建的人造v型能级示意图，通过不同的激励方式，使得两个比特被打到激发态的顺序不同，进而影响微波信号环形器的绕行方向。附图3b是绕行示意图，实线和虚线对应能级图中的两条跃迁线路。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。