低温微波源、低温微波源芯片及其制作方法与流程
本发明涉及微波电路元件，更为具体的说，涉及一种低温微波源、低温微波源芯片及其制作方法。
背景技术：
在固态量子计算领域中，只有将量子芯片放置在极低温的环境中，才能充分凸显出量子比特的量子特性，而且还需要抑制环境噪声对量子相干性的影响。但是现有技术中对量子比特进行操控时使用的测量技术，全部是采用经典仪器来进行的，如操控量子比特时所使用的微波源，很难满足当前固态量子芯片操控和量子计算的需求。
现有技术中操控量子比特时所使用的微波源，一方面存在噪声大的问题，另一方面，由于是通过室温线路施加的微波源，微波信号从室温到极低温量子芯片之前，还需要进行繁杂的滤波、衰减等优化设计，但往往经过优化后的微波信号仍不能达到固态量子芯片操控和量子计算的需求。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种低温微波源、低温微波源芯片及其制作方法，该低温微波源芯片的制作工艺与量子芯片的工艺兼容，可直接将该低温微波源芯片集成到量子芯片上，从而可以直接对量子比特进行原位操控，解决了现有技术中微波源的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种低温微波源芯片，包括衬底以及位于衬底表面上的透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线；
其中，所述透射腔用于发射微波光子，所述透射腔包括squid链，所述squid链包括多个squid结构，所述多个squid结构相互串联；
所述偏置结与所述透射腔电连接，用于产生微波光子；
所述电压偏置线用于为所述偏置结施加偏置电压，使所述偏置结中的电子库珀对通过受激发射的方式，转化为微波光子；
所述直流偏置线用于为所述透射腔施加磁场；
其中，所述透射腔的谐振频率由所述squid链的总电容和总电感决定；所述squid链的总电感随所述磁场大小的变化而变化，所述磁场的大小随所述直流偏置线中电流大小的变化而变化。
优选的，所述透射腔的总电感大于所述偏置结的总电感，以使所述电子库珀对在恒压偏置的情况下，通过产生或吸收一个光子，即可隧穿通过所述偏置结。
优选的，所述微波光子从所述透射腔中发射出去时的发射速率，小于所述电子库珀对隧穿通过所述偏置结的隧穿速率，以使所述微波光子在发射出去之前，再次被所述电子库珀对吸收，以促进所述电子库珀对的下一次隧穿，以持续产生微波光子。
优选的，所述squid结构为两个并联的约瑟夫森结构成的环状结构；
所述约瑟夫森结包括依次位于所述衬底表面的第一超导层、绝缘层和第二超导层。
优选的，所述直流偏置线包括长条状的电极条，所述电极条的长边与所述squid链平行设置。
优选的，所述衬底表面除所述透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线之外，还包括金属层，所述金属层包围所述透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线，且所述金属层、所述电压偏置线及所述直流偏置线在同一光刻过程中形成；
所述透射腔与分别位于其两侧的所述金属层及所述直流偏置线构成共面波导结构；
所述直流偏置线与其周围的所述金属层构成共面波导结构。
优选的，所述偏置结为约瑟夫森结。
优选的，所述偏置结的一端与所述透射腔的输出端直接相连，另一端与所述金属层直接相连。
优选的，所述偏置结的形成方向与squid链透射腔中约瑟夫森结的形成方向一致，以使所述偏置结与所述squid链在同一工艺步骤中形成。
优选的，所述偏置结与所述透射腔的输出端的连接方式为：在所述透射腔长边且靠近所述透射腔输出端的位置，延伸出长条形的导电材料作为第一连接线，所述第一连接线与所述偏置结的第一边直接接触；
所述偏置结与所述金属层的连接方式为：在所述偏置结的第二边延伸出长条形的导电材料作为第二连接线，在金属层朝向所述偏置结的方向上延伸出长条形的导电材料作为第三连接线，所述第二连接线与所述第三连接线直接相连，且二者的夹角为直角，所述偏置结的第一边与第二边为沿所述透射腔长度方向相对的两个边。
优选的，所述第一连接线、所述第二连接线与所述偏置结在同一工艺步骤中形成；所述第三连接线与所述金属层在同一工艺步骤中形成。
优选的，所述偏置结与所述透射腔的输出端的连接方式为：在所述透射腔长边且靠近所述透射腔输出端的位置，延伸出长条形的导电材料作为第一连接线，所述第一连接线与所述偏置结的第一边直接接触；
所述偏置结与所述金属层的连接方式为：在所述偏置结的第二边延伸出长条形的导电材料作为第四连接线，在金属层朝向所述偏置结的方向上延伸出长条形的导电材料作为第三连接线，在所述第三连接线的尾部朝向所述第四连接线的方向上延伸出的导电材料作为第五连接线，所述第四连接线与所述第五连接线搭接，且所述第三连接线与所述第五连接线的夹角为直角，所述偏置结的第一边与第二边为沿所述透射腔长度方向相对的两个边。
优选的，所述第一连接线、所述第四连接线与所述偏置结在同一工艺步骤中形成，所述第三连接线、所述第五连接线与所述金属层在同一工艺步骤中形成。
优选的，所述电压偏置线包括电极板，以及环绕所述电极板的电感，所述电感的第一端直接与所述电极板相连，第二端与所述透射腔相连。
优选的，所述透射腔为半波长谐振腔，所述透射腔的中心位置为电压波节，所述电感的第二端直接与所述透射腔的中心位置相连。
优选的，所述透射腔的输出端与所述金属层间的第一耦合电容c1与所述透射腔的输入端与所述金属层间的第二耦合电容c2之间的关系为c1：c2≥10:1，所述微波光子从所述透射腔的输出端发射的速率ω正比于c12。
优选的，所述透射腔的谐振频率f与所述电压偏置线上施加的恒压u满足关系式mhf＝2eu，其中，m为正整数，h为普朗克常数，e为一个电子的电量；其中，所述透射腔的谐振频率等于所述低温微波源的输出频率。
优选的，所述透射腔的总电感l＝l0+nlj/2，所述透射腔的总电容c＝nc+cj，谐振频率
优选的，所述透射腔、所述偏置结、所述电压偏置线、所述直流偏置线和所述金属层的材料均为低温超导材料。
优选的，所述金属层、所述电压偏置线、以及所述直流偏置线的材料为铝、或铌、或氮化铌、或氮化钛铌。
优选的，所述透射腔和所述偏置结的材料为铝。
优选的，还包括位于所述衬底背离所述金属层一面的金属热沉，以对所述低温微波源芯片进行散热。
本发明还公开了一种低温微波源，包括控制电路以及权利要求1-19任一项所述的低温微波源芯片，所述控制电路用于为所述低温微波源芯片施加工作电压，使其产生并发射微波光子；
其中，所述控制电路包括恒流源，以及与所述电压偏置线相连的稳压电路；
所述恒流源用于为所述稳压电路提供电源输入；
所述稳压电路用于为所述低温微波源的偏置结提供偏置电压；
其中，所述恒流源设置于室温环境下，所述低温微波源芯片设置于低温环境下，所述稳压电路包括室温稳压电路和低温稳压电路，所述低温稳压电路与所述低温微波源芯片设置于相同环境下。
优选的，所述室温稳压电路包括与所述恒流源电连接的第一低通滤波器，用于消除因电路上的噪声导致的电压波动；
所述低温稳压电路包括：
与所述第一低通滤波器电连接的第二低通滤波器，用于消除因电路上的噪声导致的电压波动；
第一分压电阻、第二分压电阻和第一接地阻抗元件，所述第一分压电阻和第二分压电阻与所述电压偏置线串联，所述第一分压电阻的第一端电连接第二分压电阻的第一端，第二端通过所述第一接地阻抗元件接地，所述第二分压电阻的第二端与所述电压偏置线的电极板电连接，工作过程中，所述金属层接地；
所述恒流源的输出端通过第一低通滤波器和第二低通滤波器，与所述第一分压电阻的第一端电连接，工作过程中，通过所述电压偏置线的电感、所述透射腔以及所述金属层，将所述恒流源提供的偏置电压施加在偏置结的两端。
优选的，所述室温稳压电路还包括：
差分电压表，用于检测所述第二分压电阻两端的电压；
第三低通滤波器和第四低通滤波器，用于消除因电路上的噪声导致的电压波动；
所述低温稳压电路还包括：
第五低通滤波器和第六低通滤波器，用于消除因电路上的噪声导致的电压波动；
第一电容和第二接地阻抗元件、第二电容和第三接地阻抗元件，用于隔离电路上的热噪声；
其中，所述差分电压表的第一端通过所述第三低通滤波器和所述第五低通滤波器，与所述第二分压电阻的第一端相连，所述差分电压表的第二端通过所述第四低通滤波器和所述第六低通滤波器，与所述第二分压电阻的第二端相连；所述第一电容的第一极板与所述第二分压电阻的第一端相连，第二极板通过所述第二接地阻抗元件接地；所述第二电容的第一极板与所述第二分压电阻的第二端相连，第二极板通过所述第三接地阻抗元件接地；
施加到所述电压偏置线上的电压u＝ir1-[(r1/r2)+1]u’，其中，r1为所述第一分压电阻的阻值，r2为所述第二分压电阻的阻值，i为所述恒流源的电流值，u’为所述第二分压电阻两端的电压。
优选的，所述第一低通滤波器-第六通滤波器的数量均至少为一个，所述低温稳压电路中用于连接各个电路元件的导线均为低温直流导线，所述低温微波源芯片与所述低温稳压电路设置于同一电路板上。
优选的，所述控制电路还包括与所述直流偏置线相连的电流调节电路和直流源；
所述直流源用于向所述直流偏置线输出电流；
所述电流调节电路用于对所述直流源输出至所述直流偏置线的电流大小进行调节。
优选的，所述低温微波源的输出频率在1ghz-10ghz以内，输出频率的调节速率在百纳秒级别，输出功率在-90dbm至-140dbm以内，能量转化效率在10％以上。
本发明还公开了一种低温微波源芯片制作方法，用于制作以上所述的低温微波源芯片，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成金属层；
在同一工艺步骤中，去除透射腔区域和偏置结区域的全部金属层，并去除电压偏置线区域和直流偏置线区域的部分金属层，以形成所述电压偏置线和所述直流偏置线，并在所述透射腔区域的两端形成输入端和输出端，所述输出端位于靠近所述偏置结区域的一侧；
在同一工艺步骤中，在所述透射腔区域的衬底表面形成包括squid链的透射腔，并在所述偏置结区域的衬底表面形成偏置结。
优选的，所述电压偏置线包括电极板，以及环绕所述电极板的电感，所述直流偏置线包括长条状的电极条，所述去除透射腔区域和偏置结区域的全部金属层，并去除电压偏置线区域和直流偏置线区域的部分金属层，以形成所述电压偏置线和所述直流偏置线，包括：
在所述金属层表面形成光刻胶层，所述光刻胶层覆盖所述电极板、所述电感以及所述长条状的电极条区域，并暴露出所述透射腔区域和偏置结区域，以及所述电感和所述电极条周边一定区域的金属层；
以所述光刻胶层为掩膜，刻蚀掉未被所述光刻胶层覆盖的金属层材料；
去除所述光刻胶层，保留所述电极板、所述电感以及所述长条状的电极条。
优选的，在所述透射腔区域的衬底表面形成包括squid链的透射腔，并在所述偏置结区域的衬底表面形成偏置结，包括：
在所述透射腔区域的衬底表面以及所述偏置结区域的衬底表面，依次形成第一光刻胶层和第二光刻胶层；
对所述第一光刻胶层和第二光刻胶层进行曝光显影，以形成沿所述透射腔区域的长度方向依次排列的多个悬桥结构，所述悬桥结构由底部的第一光刻胶层被去除掉的第二光刻胶层构成；
以所述悬桥结构为掩膜，采用第一入射角度在所述衬底表面形成第一超导层；
对所述第一超导层的表面进行氧化，以形成绝缘层；
以所述悬桥结构为掩膜，采用第二入射角度在所述绝缘层表面形成第二超导层；
其中，在所述悬桥结构下方区域的所述第一超导层、所述绝缘层和所述第二超导层形成的叠层构成所述约瑟夫森结，在所述偏置结区域形成的约瑟夫森结为所述偏置结；在所述透射腔长度方向上，相邻的两个悬桥结构之间的超导层材料形成导电间隔结构，在所述透射腔宽度方向上，分别位于所述悬桥结构两侧的两个约瑟夫森结通过所述导电间隔结构并联构成所述squid结构，在所述透射腔长度方向上，多个squid结构通过所述导电间隔结构串联构成所述squid链。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种低温微波源、低温微波源芯片及其制作方法，该低温微波源包括低温微波源芯片和控制电路，控制电路用于为低温微波源芯片施加工作电压，使其产生并发射微波光子，其中，该低温微波源芯片上的透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线等，均是通过半导体工艺制作，其制作工艺与量子芯片的制作工艺兼容，因此可将该低温微波源芯片与量子芯片集成在一起，即工作过程中，该低温微波源芯片与量子芯片共同处于低温环境下，从而可以在低温环境下，由该低温微波源芯片发射的微波光子可直接对量子比特进行原位操控，避免了现有技术中通过室温线路施加微波源的种种弊端。
并且，本发明提供的低温微波源芯片是通过受激发射的方式产生微波光子，保证了发射出去的微波光子的频率、幅值、相位的稳定性，满足了微波源的要求。同时，该低温微波源的输出频率即为透射腔的谐振频率，而透射腔的谐振频率可通过调节直流偏置线中的电流的大小而调整，从而可满足量子芯片操控所需的输出频率范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种低温微波源芯片的俯视图；
图2为本申请实施例提供的一种低温微波源芯片中squid链结构的俯视放大图；
图3为约瑟夫森结的剖面图；
图4为电压偏置线与透射腔连接方式的示意图；
图5a-图5b分别为本申请实施例提供的两种偏置结连接方式的俯视放大图；
图6-图7为本申请实施例提供的一种低温微波源芯片制作方法各步骤的俯视图；
图8为透射腔区域和偏置结区域光刻后的俯视图；
图9为透射腔区域的悬桥结构d沿aa’切割的剖面图；
图10为透射腔区域的悬桥结构d沿bb’切割的剖面图；
图11-图13为约瑟夫森结制备方法各步骤的剖面图；
图14为偏置结区域光刻后的俯视放大图；
图15为偏置结区域的悬桥结构d沿aa’切割的剖面图；
图16为偏置结区域的悬桥结构d沿bb’切割的剖面图；
图17为本申请实施例提供的一种低温微波源的电路结构图。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种低温微波源芯片，具体的，如图1所示，为该低温微波源芯片的俯视图，该低温微波源芯片包括衬底1以及位于衬底1表面上的透射腔2、偏置结4、电压偏置线5、以及直流偏置线3。
其中，衬底1为半导体基片，例如，硅或蓝宝石等。由于单晶硅和蓝宝石材料的介质损耗最低，因此，可以确保低温微波源芯片的工作性能达到最佳状态。可选地，衬底1可以为晶向为100、厚度为0.5mm的蓝宝石基片。进一步地，该蓝宝石基片的散射正切值可以为2e-7。本实施例中，该低温微波源芯片通过半导体纳米加工技术制备在半导体基片上，其整体尺寸小于1mm×1mm。
具体的，所述透射腔2用于发射微波光子，透射腔2包括squid链，所述squid链包括多个squid结构，所述多个squid结构相互串联；
所述偏置结4与所述透射腔2电连接，用于产生微波光子；
所述电压偏置线5用于为所述偏置结4施加偏置电压，使所述偏置结4中的电子库珀对通过受激发射的方式，转化为微波光子；
所述直流偏置线3用于为所述透射腔2施加磁场；
其中，所述透射腔2的谐振频率由所述squid链的总电容和总电感决定；所述squid链的总电感随所述磁场大小的变化而变化，所述磁场的大小随所述直流偏置线中电流大小的变化而变化。
需要说明的是，衬底1的表面除所述透射腔2、偏置结4、电压偏置线5、以及直流偏置线3之外，还包括金属层6，如图1所示，所述金属层6包围所述透射腔2、偏置结4、电压偏置线5、以及直流偏置线3，且所述金属层6、所述电压偏置线5及所述直流偏置线3在同一光刻过程中形成。
本实施例中的金属层6接地。本领域技术人员可以理解，只要低温微波源芯片与量子芯片处于集成的状态，量子芯片置于低温环境中时，低温微波源芯片也同时被置于低温环境，而不论包含该低温微波源芯片的低温微波源是否处于工作状态，该金属层6均处于接地的状态。
本发明实施例是采用受激发射的方式产生微波光子，这就需要透射腔和偏置结以及为偏置结所施加的偏置电压的设计能够满足受激发射的条件。
需要说明的是，受激发射产生微波光子的主体是偏置结中的电子库珀对，所谓电子库珀对是指位于费密面附近的两个电子，因存在净的吸引作用，而形成束缚态，这种束缚态即为库伯对，而相应的这两个电子即为电子库珀对，或者称为库伯电子对。所谓费密面是指金属中电子状态动量空间中的等能面。
若要让电子库珀对受激发射产生光子，则需要为电子库珀对提供足够的能量使其挣脱其在费密面上的束缚态，即让电子发生能级跃迁，换句话说，即偏置结中的电子库珀对发生隧穿通过偏置结。而电子库珀对发生隧穿通过偏置结的前提是，在超导状态下，偏置结两端施加恒定的电压u的前提下，电子库珀对当且仅当吸收或者释放等同于2eu的能量才能实现隧穿通过偏置结。
本实施例中的偏置结与透射腔连接在一起，因此电子隧穿所需的这部分能量，则可以由电子产生或吸收一个光子来提供。但是电子能够产生或者吸收一个光子的前提是，透射腔的谐振频率f与所述电压偏置线上施加的恒压u需满足关系式mhf＝2eu，其中，m为正整数，h为普朗克常数，h≈6.626×10^-34j·s，e为一个电子的电量。采用受激发射的方式产生的微波光子最终从透射腔输出，并且采用受激发射方式产生并发射出的微波光子，其频率、幅值和相位能够达到高度的稳定，满足了微波源的要求。
为了确保电子库珀对的隧穿，并且电子库珀对的隧穿过程无限循环下去，需要满足以下两个条件，条件1是耦合条件，条件2是受激发射条件：
1)微波源工作时满足如下方程：
其中，
为了使微波源能够有效工作，在偏置结两端施加恒定偏置电压的基础上，需要保证电子库伯对隧穿通过偏置结的过程中释放的能量转化为微波光子的效率要足够高，即偏置结与透射腔需要足够良好的耦合，对应到以上方程中，需要使光子生成项(即方程中的第四项)与方程中的第三项的比值大于1，即
也就是说，为了能够实现隧穿，本实施例中的透射腔2的总电感l需大于所述偏置结4的总电感lj，以使所述电子库珀对在恒压偏置的情况下，通过产生或吸收一个光子，即可隧穿通过所述偏置结，反之，若透射腔2的总电感l小于偏置结4的总电感lj，则电子库珀对不能完成产生或吸收一个光子的过程。
为了满足这一条件，本实施例中的偏置结4为约瑟夫森结，并且，采用squid链形成透射腔2，所述约瑟夫森结包括依次位于所述衬底表面的第一超导层、绝缘层和第二超导层，具体形成方法在以下实施例中再进行详细说明。
透射腔2的结构如图1-2所示，图2为squid链结构的放大图，squid链包括多个squid结构20，并且多个squid结构20相互串联，多个squid结构20之间为导电间隔结构23。具体的，squid结构20为两个并联的约瑟夫森结21构成的环状结构，两个约瑟夫森结21之间为空白区域22，空白区域22上直接暴露出衬底材料，两个约瑟夫森结21通过位于其两侧的导电间隔结构23实现并联，也就是说，两个约瑟夫森结21通过设置于相邻的squid结构之间的导电间隔结构23实现并联。并且，多个squid结构也是通过设置于相邻的squid结构之间的导电间隔结构23实现串联。
如图3所示，为约瑟夫森结21的剖面图，约瑟夫森结21的结构为超导金属层/(绝缘层或半导体层)/超导金属层构成的三明治结构，每一层所使用的材料，都会直接影响约瑟夫森结的物理性能。本实施例中为了满足低温微波源芯片的性能需求，优选约瑟夫森结21的结构包括依次位于衬底1表面的第一超导层211、绝缘层212和第二超导层213。并且，第一超导层211和第二超导层213是采用低温超导材料制作而成的，绝缘层212是对第一超导层211的表面进行氧化形成的绝缘层。进一步，由于其他超导金属材料制备约瑟夫森结的工艺较为复杂，本实施例中为了简化透射腔的制作工艺，并且为了将透射腔的制作工艺与后续量子芯片的制作工艺兼容，以便于将该低温微波源芯片与量子芯片的集成，优选第一超导层211和第二超导层213的材料为铝，绝缘层212的材料为氧化铝。
本实施例中的squid结构20中的两个约瑟夫森结21，与偏置结4在同一工艺步骤中形成，并且，导电间隔结构23也是在约瑟夫森结21的形成过程中形成的，但根据不同区域、不同尺寸，导电间隔结构23的剖面结构也不尽相同，以下方法实施例中对此进行详细说明。
本实施例中的squid结构20中的两个约瑟夫森结21，与偏置结4在同一工艺步骤中形成。即若偏置结4的电感为一个约瑟夫森结的电感l0，则透射腔的总电感l为squid链上所有约瑟夫森结的电感之和，再加上squid链与地面之间的电感l0，即l＝nlj/2+l0，n为squid链上的约瑟夫森结的数量。本实施例中的透射腔中的约瑟夫森结的数量有上百个，因此透射腔的总电感约为偏置结总电感的几十倍，甚至上百倍，满足以上微波光子发射的耦合条件。
2)为了使电子库珀对的受激发射过程无限循环下去，在恒压偏置下不断的发射微波光子，还需要控制微波光子从所述透射腔中发射出去时的发射速率ω的大小，即，确保微波光子从所述透射腔中发射出去时的发射速率ω，小于电子库珀对隧穿通过所述偏置结4的隧穿速率γ，即满足γ＞ω，以使所述微波光子在发射出去之前，再次被所述电子库珀对吸收，以促进所述电子库珀对的下一次隧穿，以形成促进电子库珀对持续隧穿，持续产生微波光子。
具体的，γ＝i/2e，其中i为偏置结两端施加偏置电压u时，通过偏置结两端的实际直流电流，公式mhf＝2eu中的m越大，则i越大，则电子库珀对隧穿通过所述偏置结4的隧穿速率γ越大。
微波光子从所述透射腔中发射出去时的发射速率，由透射腔的输入端24和输出端25与金属层6间的耦合电容的大小决定，具体的，透射腔的输出端与所述金属层间的耦合电容为第一耦合电容c1，所述透射腔的输入端与所述金属层间的耦合电容为第二耦合电容c2，微波光子从所述透射腔中发射的速率正比于(c12+c22)，其中，微波光子从透射腔的输出端发射的速率ω(即有效速率)正比于c12。
本实施例中通过尽量减小c1和c2的大小，从而减小微波光子从所述透射腔中发射出去时的发射速率ω，并且通过尽量增大偏置结两端的偏置电压u，从而增大电子库珀对隧穿通过所述偏置结4的隧穿速率γ，从而满足γ＞ω。
具体的，可通过调整透射腔输入端和输出端与金属层间的端口电极的形状，调整c1和c2的大小，如减小增大透射腔的端口与金属层间的距离，同时减小二者间的正对面积，即可减小c1和c2。
本实施例中通过以上结构的透射腔，从而确保了偏置结4中的电子库珀对持续被激发，从而持续发射微波光子，实现了微波源的功能。
具体的，如图1所示，本发明实施例中所述偏置结4的一端与所述透射腔2的输出端直接相连，另一端与所述金属层6直接相连，即在工作过程中，偏置结4通过金属层6直接接地，从而在最大程度上增强了偏置结4与透射腔2的耦合强度，避免信号的损失，以提高低温微波源的能量转化效率。
本实施例中所述偏置结4的形成方向与squid链透射腔中约瑟夫森结的形成方向一致，以使所述偏置结与所述squid链在同一工艺步骤中形成。偏置结区域的连线方式至少有以下两种，下面结合附图分别进行说明。
如图5a所示，偏置结4周边的金属设置为回型形状，分别与金属层6及透射腔的输出端25相连。具体的，偏置结4与所述透射腔2的输出端25的连接方式为：在所述透射腔2长边且靠近所述透射腔2输出端25的位置，延伸出长条形的导电材料作为第一连接线43，所述第一连接线43与所述偏置结4的第一边41直接接触。所述偏置结4与所述金属层8的连接方式为：在所述偏置结4的第二边42延伸出长条形的导电材料作为第二连接线44，在金属层6朝向所述偏置结的方向上延伸出长条形的导电材料作为第三连接线45，所述第二连接线44与所述第三连接线45直接相连，且二者的夹角为直角，所述偏置结的第一边41与第二边42为沿所述透射腔长度方向相对的两个边。为了加快工艺速度，本实施例中第一连接线43、第二连接线44与偏置结4在同一工艺步骤中形成，第三连接线45与金属层6在同一工艺步骤中形成。
在其它实施例中，由于光刻工艺选择的不同，工艺所花费的时间也不同，若采用电子束直写曝光的方式，来形成偏置结周边的连接线，则需考虑到工艺效率的问题，因此，为了提高形成偏置结周边连接线的光刻工艺效率，偏置结4与透射腔2和金属层6的连接方式如图5b所示，具体的，偏置结4与所述透射腔2的输出端25的连接方式为：在透射腔2长边且靠近所述透射腔2输出端的位置，延伸出长条形的导电材料作为第一连接线43，所述第一连接线43与所述偏置结4的第一边直接接触。
所述偏置结4与所述金属层6的连接方式为：在所述偏置结4的第二边延伸出长条形的导电材料作为第四连接线46，在金属层朝向所述偏置结的方向上延伸出长条形的导电材料作为第三连接线45，在所述第三连接线45的尾部朝向所述第四连接线46的方向上延伸出的导电材料作为第五连接线47，所述第四连接线46与所述第五连接线47搭接，且所述第三连接线45与所述第五连接线47的夹角为直角，所述偏置结的第一边41与第二边42为沿所述透射腔长度方向相对的两个边。
其中，所述第一连接线43、所述第四连接线46与所述偏置结4在同一工艺步骤中形成，所述第三连接线45、所述第五连接线47与所述金属层6在同一工艺步骤中形成。
需要说明的是，施加在偏置结两端的偏置电压是否稳定，直接决定了低温微波源的输出频率是否稳定，基于此，参见图1，本实施例中的电压偏置线5包括电极板51，以及环绕所述电极板51的电感52，在低温微波源的工作过程中，电极板51与低温微波源芯片外部的电路相连，用于接收外部电路为低温微波源芯片提供的恒定的偏置电压。所述电感52的第一端直接与所述电极板51相连，第二端与所述透射腔2相连，通过电极板51和电感52，将来自于外部电路的偏置电压施加在偏置结上。
在低温微波源工作过程中，电感52可起到滤波器的作用，一方面能够防止透射腔中的能量泄露，一方面还能防止外界的高频噪声进入透射腔而导致的对低温微波源性能的不良影响，从而在一定程度上提高了偏置电压的稳定性。此外，低温微波源还增加了其它外部电路，用来确保偏置电压的稳定性，对于外部电路的具体结构，以下实施例会对此进行详细说明，这里不再赘述。
除了以上电压偏置线本身结构的设置，为了确保电压偏置线的偏置电压能够有效的施加在偏置结上，同时最大程度上减小偏置电压对透射腔中微波信号的影响，本实施例中优选将偏置电压施加在透射腔的电压波节的位置，并且优选的，本实施例中的透射腔2为半波长谐振腔，所述透射腔2的中心位置为电压波节，在该位置透射腔的电场强度最弱，因此，本实施例中电压偏置线5上的电感52的第二端直接与所述透射腔2的中心位置相连，即将偏置电压施加在透射腔的中心，从而最大程度上减弱偏置电压对透射腔微波信号的影响，如图4所示。
本领域技术人员可以理解，若采用四分之一波长的反射腔，会导致偏置电压没有一个有效的施加位置，从而不能实现电子库珀对的受激发射。但由于使用半波长谐振腔则具有两个端口，即输入端和输出端，本实施例中为了确保微波光子通过透射腔的输出端输出，并且尽量减少微波光子从透射腔的输入端泄漏而产生的信号损失，本实施例中优选c1和c2的大小关系为c1：c2≈10:1，更优选的，c1：c2≥10:1。
需要说明的是，在本实施例中，低温微波源的输出频率为低温微波源的输出信号的频率，低温微波源的输出频率由透射腔的谐振频率f决定，而本实施例中的低温微波源的输出频率等于透射腔的谐振频率f。而透射腔的谐振频率f由squid链上的总电容及总电感决定。
需要说明的是，squid结构是一种超导量子干涉装置，如以上所述，squid结构由两个超导的约瑟夫森结并联成环，通过调节squid结构中的垂直磁场能改变squid结构中通路临界电流的大小，从而改变squid结构电感的大小，即改变squid链总电感的大小，进而改变透射腔的谐振频率f。
具体原理为，透射腔2的总电感l＝l0+nlj/2，其中，lj为单个约瑟夫森结的电感，l0为squid链与共面波导地平面间的电感，即l0为squid链与金属层6之间的电感，实际上，l0比nlj/2小1到2个数量级，在计算过程中可以忽略l0。同样的，透射腔2的总电容c＝nc+cj，c为单个squid结构与金属层6之间的电容，n为所述squid链上的约瑟夫森结的数量，cj为squid链自身的电容，但实际上，cj比nc小近3个数量级，因此，在计算过程中可以忽略cj。基于以上情况，透射腔2的谐振频率
根据隧道效应，约瑟夫森结21中的电子库珀对可以通过中间绝缘层，出现的超导电流是无阻的。当直流电流通过时，若电流小于约瑟夫森结21的临界电流，则该约瑟夫森结21呈现出无阻特性，这种允许非零的直流电流通过并保持电压为零的性质成为直流约瑟夫森效应。其中，约瑟夫森结21的临界电流对外部的磁场十分敏感，也就是说，施加在约瑟夫森结21上的磁场可明显地影响临界电流的大小。
因此，本实施例中采用squid链形成透射腔，一方面满足以上电子库伯对受激发射的条件，即使squid链的总电感远大于偏置结的电感，另一方面，使squid链的电感可调节的范围更大，调节方式简单直接，即通过调节直流偏置线3中的电流的大小，即可调节squid链上施加的垂直磁场的大小，从而调节约瑟夫森结21的临界电流，进而调节squid链总电感的大小，进而调节透射腔的谐振频率f，进而改变低温微波源的输出频率。本实施例中，可以通过设计合适的squid链20的参数和特定的磁场大小，实现低温微波源的输出频率在1ghz～10ghz频段可调。
具体的，如图1所示，本实施例中直流偏置线3包括长条状的电极条，所述电极条的长边与所述squid链平行设置，从而使得透射腔2与直流偏置线3构成共面波导结构，并且，透射腔2与位于其一侧的所述金属层6相对应的部分也构成共面波导结构，即透射腔2为由squid链构成的共面波导超导传输线透射腔。并且，所述直流偏置线3与其周围的所述金属层6构成共面波导结构，即直流偏置线的结构是末端直接到接地平面的共面波导。
当直流偏置线3上通入直流电流以后，会以直流偏置线3为轴心形成磁场分布。直流偏置线3的电极条与squid链平行设置不但可以保证通过squid链的磁场为垂直磁场，而且可以保证整个squid链20上磁场的均匀分布。
基于此，透射腔2、直流偏置线3及金属层6间形成共面波导结构，可以在保证磁场调节效果的同时，使得直流偏置线3具备快速调节磁场的能力。其中，最快的调节磁场的速度可以达到上百纳秒级，以满足微波源具备高速变频输出的能力，本实施例中的低温微波源的输出频率可在1ghz～10ghz频段进行调节。
另外，需要说明的是，为了满足受激发射该量子原理实现的基本条件，本实施例中的透射腔2、偏置结4、电压偏置线5、直流偏置线3和金属层6的材料均为低温超导材料。更优选的，金属层6、电压偏置线5、以及直流偏置线3的材料为铝、或铌、或氮化铌、或氮化钛铌。而为了形成约瑟夫森结，并且使该低温微波源芯片能与后续工艺兼容，优选透射腔2和偏置结4的材料为铝。基于此，该低温微波源芯片可以工作在相应的超导临界温度以下，不仅可以满足量子比特操控等低温弱信号处理领域的需求，而且可以大幅降低电流损耗和附加噪声。
本实施例中的低温微波源芯片还包括位于衬底1背离金属层6一面的金属热沉。在工作过程中，该金属热沉不仅可以对低温微波源芯片进行散热，还可以作为低温微波源芯片的地平面。也就是说，直流偏置线3、电压偏置线5的电极板51、及金属层6均与衬底1底部的金属热沉连接，以便在工作过程中接地。
本发明提供的低温微波源芯片是通过受激发射的方式产生微波光子，保证了发射出去的微波光子的频率、幅值、相位的稳定性，满足了微波源的要求。同时，该低温微波源的输出频率即为透射腔的谐振频率，而透射腔的谐振频率可通过调节直流偏置线中的电流的大小而调整，从而可满足量子芯片操控所需的输出频率范围。
具体的，本实施例提供的一种低温微波源芯片，其整个芯片的尺寸较小，仅有500μm×600μm，以透射腔的长度为400μm，squid链上串联48个squid结构，单个squid结构的电感为0.8nh为例，得到的低温微波源芯片的上限输出频率为10.8ghz。在实际工作过程中，通过在直流偏置线3上施加不同的电流来调节squid链上的垂直磁场强度，能够有效的将低温微波源的输出频率连续的从10ghz下调至1ghz，以满足低温微波源输出频率的要求。
具体的，在实际工作过程中，squid链的总电感的下限值，对应的是微波源输出频率的上限值。因而本实施例中的低温微波源芯片，只需要将squid链的总电感值设置为加工工艺所能达到的下限值，再设计合适的squid链的长度，即可使低温微波源的最大输出频率达到10ghz。
需要说明的是，本实施例中的低温微波源芯片中透射腔的长度、squid链上squid结构的数量，单个squid结构的电感值包括但不限于以上数值，可根据具体低温微波源输出频率的要求，设计不同的数值。
本发明实施例还提供了一种低温微波源芯片制作方法，应用于上述任一实施例提供的低温微波源芯片的制备，其制备过程的俯视图如图6、图7、图1所示，具体制备过程包括以下步骤：
步骤s1：如图6所示，提供衬底1。
该衬底1为半导体基片，例如，硅或蓝宝石基片等，以衬底1为蓝宝石衬底为例，如采用双面抛光的蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的晶向可为[100]晶向。需要说明的是，本实施例中的衬底材料及晶向、厚度、散射正切值等选择，可根据阻抗匹配原则，在满足低温微波源所需的输出频率的基础上选择合适且清洁的衬底材料，本实施例对此不做限定。
步骤s2：如图6所示，在所述衬底1上形成金属层6。
具体的，可采用电子束蒸发工艺或采用磁控溅射镀膜等工艺，在衬底1表面形成金属层6，形成金属层6的具体工艺和金属层6的厚度要求，可根据金属层材料的不同和厚度的不同进行选择，本实施例对此不做限定。
金属层6的材料为超导材料，举例来说，若金属层材料选择铝，则可采用电子束蒸发等工艺在衬底1表面沉积一定厚度的铝膜，由于铝作为超导材料，其厚度需超过50nm才能达到良好的超导状态，因此，该铝膜的厚度需超过50nm，如该铝膜的厚度为60nm、70nm、80nm、90nm或100nm等，具体厚度，本实施例对此不做限定。
若采用铌作为金属层材料，则可采用磁控溅射等工艺，在衬底1表面沉积一定厚度的铌膜，由于铌作为超导材料，其厚度需超过20nm才能达到良好的超导状态，因此，该铌膜的厚度需超过20nm，如该铌膜的厚度为30nm、40nm、60nm、80nm或100nm等，具体厚度，本实施例对此不做限定。
步骤s3：如图7所示，在同一工艺步骤中，去除透射腔区域和偏置结区域的全部金属层，并去除电压偏置线区域和直流偏置线区域的部分金属层，以形成所述电压偏置线5和所述直流偏置线3，并在所述透射腔区域的两端形成透射腔的输入端61和输出端62，所述输出端62位于靠近所述偏置结区域的一侧。
该步骤中可采用光刻和刻蚀工艺形成图7中的图形，举例来说，在图6所示的金属层6表面上旋涂光刻胶，之后采用具有电压偏置线5和直流偏置线3等结构图形的掩膜板，采用紫外光刻技术进行曝光显影，去除覆盖透射腔区域和偏置结区域的光刻胶，得到具有电压偏置线5和直流偏置线3等结构图形的光刻胶层；之后，采用反应离子刻蚀技术，以具有电压偏置线5和直流偏置线3等结构图形的光刻胶层为掩膜，去除未被该光刻胶层覆盖的金属层材料，之后再清洗掉该光刻胶层，从而得到图7中所示的金属层图形，即形成包括电极板51和环绕电极板51的电感52的电压偏置线5、包括长条形电极条的直流偏置线3等结构。
需要说明的是，直流偏置线区域保留下来的金属层还构成了引线30和引线31，透射腔区域两端的金属层也被刻蚀形成了输入端61和输出端62。其中，在低温微波源工作过程中，引线30和引线31与该低温微波源芯片底部的金属热沉电连接，并且，与直流偏置线3相连的外部电路也与衬底1底部的金属热沉连接，以实现对直流偏置线电流的调节。并且，电压偏置线5的电极板51也与该低温微波源芯片底部的金属热沉电连接，同时，为电极板51提供偏置电压的外部电路也与金属热沉电连接，从而为电压偏置线5提供偏置电压。
该刻蚀过程中的透射腔区域和偏置结区域的金属层被去除，以便在以下步骤中形成透射腔和偏置结。
步骤s4：如图1所示，在同一工艺步骤中，在所述透射腔区域的衬底表面形成包括squid链的透射腔，并在所述偏置结区域的衬底表面形成偏置结。
本实施例中的包括squid链的透射腔2和偏置结4的基本结构均为约瑟夫森结，因此形成透射腔2和偏置结4的工艺步骤相同。具体的，下面结合各步骤的剖面图和俯视图，对透射腔2和偏置结4的工艺过程进行说明。
如图8所示，为透射腔区域和偏置结区域光刻后的俯视图，具体为，在透射腔区域的衬底表面以及所述偏置结区域的衬底表面，旋涂两层不同材料的光刻胶，依次形成第一光刻胶层70和第二光刻胶层71。在曝光过程中，第一光刻胶层70和第二光刻胶层71所需的曝光剂量差别很大，从而在曝光时成功加工出悬桥结构d，图8中位于透射腔区域的虚线框内的结构即为悬桥结构d，位于偏置结区域(即图8中虚线圆圈内的区域)的虚线框内的结构为形成偏置结所需的悬桥结构d。
为了便于将偏置结的形成过程，与透射腔内约瑟夫森结的形成过程同步进行，图8中偏置结两侧需预留出空白区域，以便于后续的双层斜角蒸发工艺的进行，对于图5a中的偏置结结构来说，偏置结两侧预留出的空白区域分别为第一连接线43所在区域，以及第二连接线44所在区域，对于图5b中的偏置结结构来说，偏置结两侧预留出的空白区域分别为第一连接线43所在区域，以及第四连接线46所在区域。下面仅以图5b中的偏置结结构为例进行说明，对于图5a中的偏置结结构，二者区别仅在于，图5a中的第二连接线44与偏置结同时形成，而图5b中的第四连接线46与偏置结同时形成，第五连接线47、第三连接线45与金属层在同一刻蚀过程中形成。
由于第五连接线47、以及第三连接线45由于在金属层刻蚀的过程中已经形成，因此图8中的双层光刻胶层需覆盖第五连接线47和第三连接线45的表面，以免后续工艺对二者形状的影响。
图8中示出第一光刻胶层70和第二光刻胶层71的方式，仅用于说明第一光刻胶层70位于第二光刻胶层71的下方，并不能用于说明第一光刻胶层70和第二光刻胶层71旋涂的范围有差异。
具体地，如图8-图10所示，图9为图8中的悬桥结构d沿aa’切割的剖面结构示意图，图10为图8中的悬桥结构d沿bb’切割的剖面结构示意图。
在透射腔区域和偏置结区域旋涂第一光刻胶层70和第二光刻胶层71之后，采用投影光刻技术、或激光直写技术、或电子束曝光等光刻技术，使得曝光并显影之后，透射腔区域内的悬桥结构d区域处的第一光刻胶层70被去除、第二光刻胶层71被保留了下来，空白区域22处的第一光刻胶70和第二光刻胶71均被保留，导电间隔结构23区域处的第一光刻胶层70和第二光刻胶层71都被去除，同时除透射腔之外的区域也被第一光刻胶70和第二光刻胶71覆盖，以免后续工艺对步骤s4之前已经形成的结构造成影响。
如图14-16所示，图14为图8中偏置结区域的放大图，图15为图8中的偏置结区域沿aa’切割的剖面结构示意图，图16为图8中的偏置结区域沿bb’切割的剖面结构示意图。
在偏置结区域，曝光显影之后，偏置结所在区域处形成悬桥结构d，即该悬桥结构d下方的第一光刻胶层70被去除、第二光刻胶层71被保留了下来，位于偏置结a-a’方向的两侧的第一光刻胶70和第二光刻胶71均被保留，位于第一连接线43及第四连接线46区域的第一光刻胶70和第二光刻胶71均被去除，位于第五连接线47及第三连接线45区域的第一光刻胶70和第二光刻胶71均被保留。
需要说明的是，针对不同的光刻技术，需选用不同的光刻胶，并根据光刻技术的特点确定是否采用掩膜板，以及选用哪种掩膜板，举例来说，对于投影光刻技术，可选用反转光刻胶和正性光刻胶分别形成第一光刻胶层和第二光刻胶层，在曝光过程中可采用半色调掩膜板。本实施例中仅限定光刻之后形成的结构如图8-图10所示即可，对于形成图中所示的悬桥结构所用的工艺不做具体限定。
需要说明的是，本实施例中，在沿透射腔区域的长度方向上形成了依次排列的多个悬桥结构d，以形成多个squid结构。其中，该悬桥结构d由底部的第一光刻胶层70被去除后的第二光刻胶层71构成。图9中，位于两个悬桥结构d之间，被第一光刻胶层70和第二光刻胶层71覆盖的区域即为图2中两个约瑟夫森结之间的空白区域22。
在形成悬桥结构d之后，采用双层斜角蒸发技术，使用两个不同的角度在透射腔区域的衬底1表面形成约瑟夫森结，在偏置结区域的衬底1表面形成偏置结5。具体的，以透射腔区域为例对该双层斜角蒸发技术进行说明，偏置结4及第一连接线43、第四连接线46也在该过程中同时形成，具体形成工艺相互参考即可，这里不再赘述。并且，偏置结形成后，去除第五连接线47及第三连接线45区域的第一光刻胶70和第二光刻胶71后，第四连接线46即搭接在第五连接线47上，形成如图5b所示结构。
如图11所示，以悬桥结构d为掩膜，采用第一入射角度α1在未被第一光刻胶层70覆盖的衬底1的表面上，形成第一超导层211。然后，原位通入一定气压的氧氩混合气体，以对第一超导层211的表面进行氧化，即得到绝缘层212，如图12所示。之后，如图13所示，以悬桥结构d为掩膜，采用第二入射角度α2在衬底1表面，形成第二超导层213。可选地，第一超导层211和第二超导层213为金属铝层，绝缘层212为氧化铝层。
经过以上步骤，即在悬桥结构d下方的约瑟夫森结区域，形成由第一超导层211/绝缘层212/第二超导层213构成的三明治结构，得到约瑟夫森结21。在形成约瑟夫森结21的同时，在导电间隔结构23区域，也会蒸镀上超导金属，如图13所示，部分导电间隔结构23区域仅有第三超导层金属材料，部分导电间隔结构23区域则为第一超导层金属材料及绝缘层材料形成的叠层结构，部分导电间隔结构23区域则为第一超导层金属材料、绝缘层材料及第三超导层金属材料形成的叠层结构。在透射腔长度方向上，导电间隔结构23位于悬桥结构d两侧，同一squid结构20的两个悬桥结构d对应形成的两个约瑟夫森结21通过导电间隔结构23并联，不同的squid结构21通过二者之间的导电间隔结构23串联。
在以上形成透射腔内约瑟夫森结的过程中，同时也形成了偏置结4的约瑟夫森结。
步骤s5：在完成透射腔2和偏置结4的约瑟夫森结的制备之后，去除第一光刻胶层70和第二光刻胶层71，完成透射腔2和偏置结4的加工。
步骤s6：本领域技术人员可以理解，低温微波源芯片是批量生产的，因此，还需将完成以上工艺步骤的基片进行划片切割，从而得到一个个独立的如图1所示的微波源芯片。
本发明所提供的低温微波源芯片制备方法，由于形成的透射腔的工作频率由squid链的总电容和总电感决定，而squid链的总电感随磁场大小的变化而变化，磁场的大小随直流偏置线中电流大小的变化而变化，因此，可以通过调节直流偏置线的电流大小来调节透射腔的谐振频率，进而可以调节低温微波源芯片的输出频率，满足量子芯片对微波源频率的需求。
并且，本实施例公开的低温微波源芯片的制备方法，是使用紫外光刻、电子束曝光、磁控溅射镀膜、反应离子刻蚀等流程化工艺得到的。该低温微波源芯片由于其占空间小，没有特殊工艺，并且其制作工艺可以与量子芯片的制作工艺兼容，所以可以将该低温微波源芯片的制作过程直接集成到量子芯片的制作工艺中，从而由该低温微波源芯片对量子比特进行原位操控。此外，由于不需要从室温输送微波信号，因此省去了从室温到低温的整条高频线缆以及附带的繁杂滤波、衰减设计，大幅简化了目前量子芯片操控系统对于信号线路数量的要求，更加便于量子比特的集成化，对进一步扩大量子芯片规模具有促进作用。
本发明另一实施例公开了一种低温微波源，其电路结构图如图17所示，该低温微波源包括以上实施例所述的低温微波源芯片100和控制电路，所述控制电路用于为所述低温微波源芯片施加工作电压，使其产生并发射微波光子。
其中，所述控制电路包括恒流源81，以及与低温微波源芯片100的电压偏置线相连的稳压电路；
所述恒流源81用于为所述稳压电路提供电源输入；
所述稳压电路用于为所述低温微波源的偏置结提供稳定的偏置电压。
需要说明的是，工作过程中，低温微波源芯片设置于低温环境下，而该低温微波源芯片所需的偏置电压则来自于室温下恒流源，即恒流源81设置于室温环境下，因此，为了将来自于室温环境下的恒流源的电压传输到低温微波源芯片上，所述稳压电路包括室温稳压电路80和低温稳压电路90，所述低温稳压电路与所述低温微波源芯片设置于相同环境下。
具体的，如图14所示，室温稳压电路80包括与恒流源81电连接的第一低通滤波器82，用于消除室温环境下，因电路上的噪声导致的电压波动。
低温稳压电路90包括第二低通滤波器91、第一分压电阻r1、第二分压电阻r2和第一接地阻抗元件m1。其中，第一分压电阻r1和第二分压电阻r2优选为标准电阻。
其中，第二低通滤波器91与所述第一低通滤波器82电连接，用于消除低温环境下，因电路上的噪声导致的电压波动；
第一分压电阻r1和第二分压电阻r2与低温微波源芯片上的电压偏置线5串联。具体为，第一分压电阻r1的第一端电连接第二分压电阻r2的第一端，第二端通过所述第一接地阻抗元件m1接地，所述第二分压电阻r2的第二端与所述电压偏置线5的电极板51通过低温微波源芯片底部的金属热沉电连接。恒流源81的输出端通过第一低通滤波器82和第二低通滤波器91，与第一分压电阻r1的第一端电连接。
工作过程中，通过电压偏置线5的电极板51、电感52、透射腔2以及金属层6，将恒流源81经第一分压电阻r1和第二分压电阻r2后，获得的偏置电压施加在偏置结的两端。具体的，所述金属层6接地，即偏置结4的第一端，与金属层6直接相连，且通过所述金属层6接地，而来自恒流源81的电压经第一分压电阻r1、第二分压电阻r2、电极板51、及电感52之后获得的稳定的偏置电压，通过透射腔2，传输到偏置结4与透射腔2直接相连的第二端，从而在偏置结4两端施加稳定的偏置电压。其中，第一分压电阻r1和第二分压电阻r2具有分压稳压的作用，电感52也具有滤波和稳压的作用。
此外，所述室温稳压电路80还包括以下元件：
差分电压表85，用于检测所述第二分压电阻两端的电压；
第三低通滤波器83和第四低通滤波器84，用于消除因电路上的噪声导致的电压波动。
所述低温稳压电路90还包括以下元件：
第五低通滤波器92和第六低通滤波器93，用于消除因电路上的噪声导致的电压波动；
第一电容c1和第二接地阻抗元件m2、第二电容c2和第三接地阻抗元件m3，用于隔离电路上的热噪声。
其中，所述差分电压表85的第一端通过所述第三低通滤波器83和所述第五低通滤波器92，与所述第二分压电阻r2的第一端相连，所述差分电压表85的第二端通过所述第四低通滤波器84和所述第六低通滤波器93，与所述第二分压电阻r2的第二端相连；所述第一电容c1的第一极板与所述第二分压电阻r2的第一端相连，第二极板通过所述第二接地阻抗元件m2接地；所述第二电容c2的第一极板与所述第二分压电阻r2的第二端相连，第二极板通过所述第三接地阻抗元件m3接地。
从图14所示的电路图上可知，施加到所述电压偏置线上的电压u＝ir1-[(r1/r2)+1]u’，其中，r1为所述第一分压电阻r1的阻值，r2为所述第二分压电阻r2的阻值，i为所述恒流源的电流值，u’为差分电压表85测量得到的所述第二分压电阻r2两端的电压。即在第一分压电阻r1和第二分压电阻r2选用标准电阻，其阻值已知的情况下，根据电压偏置线上施加的偏置电压的要求，即可选择合适的恒流源，换句话说，通过选用不同的恒流源，即可改变电压偏置线上施加的偏置电压的大小。
需要说明的是，本实施例中第一低通滤波器-第六通滤波器的数量均至少为一个，各级低通滤波器的数量本实施例中不做限定，只要能够达到消除线路上热噪声带来的电压波动的目的即可。并且，本实施例中低温稳压电路中用于连接各个电路元件的导线均为低温直流导线，如本实施例中的低温直流导线可选用lakeshore线。此外，为了便于扩展电路的扩展以及不同的元件的兼容和隔离，所述低温微波源芯片与所述低温稳压电路的各元件可设置于同一电路板上。
本实施例中的电路结构，通过第一分压电阻r1和第二分压电阻r2的分压稳压作用，可将电路上因热噪声引起的电压波动降低两到三个数量级。进一步的，第一电容c1和第二电容c2作为隔离电容，同时匹配接地阻抗元件，又进一步隔离了电路上的热噪声，最终可以使偏置电压的波动范围降低至100pv以内，从而实现了精确的分压稳压效果。
此外，控制电路还包括与所述直流偏置线相连的电流调节电路和直流源。其中，所述直流源用于向所述直流偏置线输出电流；所述电流调节电路用于对所述直流源输出至所述直流偏置线的电流大小进行调节。
本实施例中的直流源可设置于室温下，电流调节电路可参考稳压电路的设置方式，部分设置于室温环境下，部分设置于低温环境下，并且，低温环境下的电流调节电路通过低温直流导线，与低温微波源芯片底部的金属热沉电连接，进而与直流偏置线电连接。
本实施例中的通过调节直流偏置线的电流大小，来控制低温微波源的输出频率在1ghz-10ghz以内，低温微波源芯片的结构设置，可使输出频率的调节速率在百纳秒级别。
并且，本实施例中通过调整恒流源81的电流值i、第一分压电阻的阻值r1、以及第二分压电阻的阻值r2的大小，可调整低温微波源的输出功率，具体的，本实施例中低温微波源的输出功率可控制在-90dbm至-140dbm以内，并且由于透射腔、偏置结、及电压偏置线的结构即三者连接关系的设置，可最大程度上增强偏置结与透射腔的耦合强度，避免信号损失，并且，微波源芯片采用超导材料加工制作，极大的降低了电路损耗，同时抑制了附加噪声，在最大程度上提高了低温微波源的能量转化效率，本实施例中低温微波源的能量转化效率在10％以上。
需要说明的是，低温微波源的输出功率由输入功率和能量转化效率决定，在工作过程中，本实施例中的低温微波源的能量转化效率高达10％以上，输出功率，是通过改变恒流源向偏置结输入的偏置电压的大小来调节。具体的，低温微波源在工作过程中，需要在电压偏置线上施加恒定的电压u，根据以上所述的电压u与透射腔的谐振频率的关系，即mhf＝2eu。以f＝10ghz为例，则u必须满足u＝m×20.71uv，这是一个极小的电压值，并且需要精确到100nv。
需要说明的是，由于最精准的恒压源，其室温下的输出电压的波动也在3μv-5μv左右，即便使用分压电阻，也无法确保其输出电压的稳定性，而恒流源在室温下的稳定性则可以达到10fa的数量级，因此本实施例中选用高精度的恒流源搭配低温标准电阻的方式，作为恒压源的输出，从而满足低温微波源芯片对于偏置电压稳定性的要求。本实施例中由恒流源搭配低温标准电阻形成的恒压源的稳定性可以达到10nv的精度，其稳定性远远高于最精准的室温恒压源，可以满足低温微波源芯片所需的偏置电压的稳定性需求。
在电压偏置线上施加恒定的电压，使偏置结内的电子库伯获得能量转化为微波光子，进而使低温微波源输出信号的频率、幅值和相位都能够达到高度稳定。但是，需要说明的是，根据微波信号变频原理，在确定u的具体数值时，并非是m的值越大，输出功率越大。具体的，微波信号变频过程，主要是由微波信号传播路径上介电常数的非线性特征引起的。在仅有单一频率f的微波信号通过的时候，f可以变频为mf，该过程也可以可逆发生，对应的过程可以理解成m个能量为hf的粒子合并为单个能量为mhf的粒子，或者单个能量为mhf的粒子，恰好分解成m个能量刚好都是hf的粒子，其中h为普朗克常数。具体发生的转换效率由传播路径上介电常数非线性的大小决定。m越大，变频发生的几率p(n)越低，并且该几率服从泊松分布。本领域技术人员可以理解，可以根据微波信号的变频原理及低温微波源芯片的结构，确定偏置电压的大小，从而选择合适的恒流源81，这里不再详细描述。
举例来说，偏置电压u＝50μv，直流偏置线上的电流i’＝2na，能量转化效率为10％，本实施例中的低温微波源的输出功率能达到-110dbm。虽然这个数值远小于目前室温微波源的输出功率范围，但是实际上，量子芯片操控所需要的微波信号极弱，考虑到凸显量子性质所需的信号强度，以及线路上的滤波和衰减，实际到达量子芯片上的微波信号功率在之间。因此，本发明实际输出功率基本覆盖上述需求范围，本实施例中的低温微波源能够满足量子芯片操控与量子计算的需求。
该低温微波源包括低温微波源芯片和控制电路，控制电路用于为低温微波源芯片施加工作电压，使其产生并发射微波光子，其中，该低温微波源芯片上的透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线等，均是通过半导体工艺制作，其制作工艺与量子芯片的制作工艺兼容，因此可将该低温微波源芯片与量子芯片集成在一起，即工作过程中，该低温微波源芯片与量子芯片共同处于低温环境下，从而可以在低温环境下，由该低温微波源芯片发射的微波光子可直接对量子比特进行原位操控，避免了现有技术中通过室温线路施加微波源的种种弊端。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！