量子芯片、量子数据总线及微波传输线谐振腔的制作方法

本申请涉及微波器件技术领域，更具体地说，涉及一种量子芯片、量子数据总线及微波传输线谐振腔。

背景技术：

在目前主流的固态量子比特体系中，微波谐振腔是多个量子比特间耦合以及信息传递的首选媒介。它汇总了多个量子比特独立操作以及相互纠缠的信息，因此，我们称之为“量子数据总线”。目前使用最多的微波谐振腔是半波长的共面波导谐振腔，量子比特放置于共面波导谐振腔的两个末端，利用电压波腹的性质来增强量子比特之间的耦合。

然而，普通的微波谐振腔的承载能力有限，最多只能耦合两至四个量子比特，一般只能通过增加微波谐振腔数量的方式来增加量子芯片能够耦合的量子比特数量，这种方式无疑增加了量子芯片结构设计复杂性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种量子芯片、量子数据总线及微波传输线谐振腔，以实现在不增加量子芯片结构设计复杂性的基础上，增加微波传输线谐振腔能够耦合的量子比特数量的目的。

为实现上述技术目的，本实用新型实施例提供了如下技术方案：

一种微波传输线谐振腔，包括：基片、位于所述基片表面的中心节点和至少三个终端；其中，

所述中心节点与每个所述终端通过传输线连接，所述中心节点的任意边长大于所述传输线的宽度，且所述中心节点与每个所述终端之间的传输线长度均相等；

每两个所述终端之间的传输线长度均相等。

可选的，所述终端为共面波导终端或交指电容终端或微带线终端。

可选的，还包括：至少一个次级节点；

所述次级节点位于所述中心节点与所述终端之间，所述次级节点到终端的距离与所述次级节点到中心节点的距离之比小于或等于1；

所述次级节点通过所述传输线连接两个所述终端。

可选的，所述终端的数量为8个，所述次级节点的数量为4个；

4个所述终端通过所述传输线与所述中心节点连接；

4个所述次级节点位于所述中心节点与所述终端连接的中点。

可选的，所述中心节点、终端和传输线的制备材料为铌。

可选的，所述传输线的形状为直线形状或曲线形状。

可选的，所述基片为单晶硅基片或蓝宝石基片。

一种微波传输线谐振腔的制备方法，包括：

提供基片；

在所述基片表面形成一层预设金属层；

对所述预设金属层进行刻蚀，形成中心节点和通过传输线与所述中心节点连接的至少三个终端；

所述中心节点的任意边长大于所述传输线的宽度，且所述中心节点与每个所述终端之间的传输线长度均相等；

每两个所述终端之间的传输线长度均相等。

一种量子数据总线，包括如上述任一项所述的微波传输线谐振腔。

一种量子芯片，包括量子比特及如上述任一项所述的微波传输线谐振腔。

从上述技术方案可以看出，本实用新型实施例提供了一种量子芯片、量子数据总线及微波传输线谐振腔，其中，所述微波传输线谐振腔从同一个中心节点出发，利用传输线延伸至多个终端，每一个终端都可以用于耦合一至两个量子比特，从而增加了微波传输线谐振腔能够耦合的量子比特数量；并且所述微波传输线谐振腔较现有技术中的微波谐振腔能够耦合的量子比特数量更多，不需要通过增加微波谐振腔数量的方式来增加量子芯片能够耦合的量子比特数量，降低了能够耦合多量子比特的量子芯片的结构设计复杂性。

进一步的，通过实验发现，以中心节点到每个终端的传输线长度相等，以及每两个终端之间的传输线长度相等的原则设计的微波传输线谐振腔可以将不同终端间的信号干扰降至最低，在维持单一的耦合模式的同时，耦合量子比特的能力随终端的数量线性提升，有利于整个量子芯片实施整齐划一的规划与设计。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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为本申请的一个实施例提供的一种微波传输线谐振腔的表面结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的一种中心节点的结构示意图；

图3为本申请的另一个实施例提供的一种中心节点的结构示意图；

图4(a)和图4(b)为表征具有四个终端的微波传输线谐振腔的S参数的示意图；

图5为本申请的一个优选实施例提供的一种微波传输线谐振腔的表面结构示意图；

图6为本申请的一个实施例提供的一种微波传输线谐振腔的制备方法的流程示意图；

图7为本申请的另一个实施例提供的一种微波传输线谐振腔的制备方法的流程示意图；

图8为本申请的又一个实施例提供的一种微波传输线谐振腔的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

一种微波传输线谐振腔，如图1、图2和图3所示，包括：基片(图1中未示出)、位于所述基片表面的中心节点10和至少三个终端20；其中，

所述中心节点10与每个所述终端20通过传输线30连接，所述中心节点 10的任意边长大于所述传输线30的宽度，且所述中心节点10与每个所述终端20之间的传输线30长度均相等；

每两个所述终端20之间的传输线30长度均相等。

图1为所述微波传输线谐振腔的俯视结构示意图，图2和图3为所述中心节点10的两种可行的结构示意图，以图2和图3所示结构设计的中心节点 10可以使得任意两个所述终端20之间均可形成一段半波长谐振腔。

所述微波传输线谐振腔也可称之为多分支树状微波传输线，其相较于传统的微波谐振腔具有以下优点：

1、所述微波传输线谐振腔使用共面波导结构，从同一个中心节点10出发，通过传输线30延伸至多个终端20，来代替传统的半波长共面波导传输线30，作为多比特量子芯片中的量子数据总线；

2、所述微波传输线谐振腔的任意两个终端20间都能够形成一端半波长谐振腔，将量子比特放置在终端20处能够确保相互间的耦合达到最大；

3、所述微波传输线谐振腔的任意两个终端20间的路径距离都是相等的，这样的优势是可以将不同终端20间的信号干扰降至最低，在维持单一的耦合模式的同时，耦合量子比特的能力随终端20的数量线性提升，并且有利于整个量子芯片实施整齐划一的规划和涉及；

4、所述微波传输线谐振腔的中心节点10到终端20间的传输线30的形状可以灵活化涉及，经过中心节点10辐射对称的设计方式，能够最大程度上利用空间布局，降低量子芯片的整体体积。

需要说明的是，所述终端20不仅局限于普通的共面波导终端，出于量子芯片的需求，还可以调整为交指电容终端或微带线终端等其他类型终端，每个终端20都可以耦合一直两个量子比特。本申请对所述终端20的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。

另外，所述终端20、传输线30和中心节点10的制备材料可以为铝或铌等金属材料，但优选的，所述终端20、传输线30和中心节点10的制备材料为铌。铌作为超导金属的一种，铌制结构相较于铝制结构相比，具有品质因子更高，耗散更低的优点。

所述基片一般采用单晶硅基片或蓝宝石材料基片，这两种材料的戒指损耗相对最低。在大规模量子比特集成中，这两点能够确保微波传输线谐振腔以及量子比特的工作性能维持在最佳状态。

可选的，所述传输线30的形状为直线形状或曲线形状。为了降低微波传输线谐振腔的整体体积，所述传输线30的形状优选为曲线形状。连接中心节点10和终端20的传输线30的形状并不需要保持一致，可以适当弯绕以节省空间。但为了最大程度利用空间布局，优选以中心辐射对称的方式设计。中心节点10到不同终端20之间的传输线30之间的间距不得低于一个最小间隔参数，这个最小间隔参数视实际情况而定。例如，在本申请的一个实施例中，所述最小间隔参数为100μm，但在本申请的其他实施例中，所述最小间隔参数还可以为50μm、60μm、70μm等。设定最小间隔参数的目的是为了避免线路上信号辐射导致的串扰。

还需要说明的是，本方案的设计基于匹配基于阻抗匹配原则，针对所使用的具体基片的参数，设计对应的传输线30的线宽比。然后调整中心节点10 到每个终端20的距离，来设计微波传输线谐振腔的耦合模式。耦合模式的是指在具体的结构中，两个终端20间的半波长共面波导谐振腔的实际谐振频率。该频率可以直接通过微波仿真软件Sonnet计算出来。为了达到最有效的耦合效果，传输线30的耦合模式设计在7-8GHz范围内。传输线30的形状不仅限于附图1所示的直线形状，可以使用螺旋形，圆弧形等弯绕方式来进一步缩小尺寸，以利用整个芯片的空间。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，参考图1和图2，所述终端20的数量为4个；在附图2中，标号40表示地平面(接地的金属结构)，标号50表示传输线30与地平面40的间隙；线宽比即图2中传输线 30的宽度与间隙的宽度的比值。在附图2中，中心节点10有意的增加了尺寸，这样在增大终端20的数量时，有足够的空间可以容纳本方案的设计，并且可以避免通往不同终端20的传输线30之间间隔太近而导致的信号串扰。在图2 所示的实施例中，中心节点10的尺寸为100μm×100μm，但本申请对所述中心节点10的尺寸的具体大小并不做限定，具体视实际情况而定。

参考图3，图3为本申请的又一个实施例提供的一种微波传输线谐振腔的结构示意图，在图3中，终端20的数量仍为4个，在本实施例中，中心节点 10直接与地平面40连接，以进一步降低通往不同终端20的传输线30之间间隔50太近而导致的信号串扰。

参考图4(a)和图4(b)，图4(a)和图4(b)为表征具有四个终端20 的微波传输线谐振腔的S参数的示意图，图4(a)为各终端20的反射系数随信号频率的变化，图4(b)为终端20间的散射系数随信号频率的变化。严格的单色性证明多终端微波传输线谐振腔在扩展终端20数目的基础上，多终端微波传输线谐振腔在耦合多个量子比特时与普通传输线30耦合多个量子比特的模式、品质因子等都不会有差异，但耦合量子比特的数目上限大幅提高。将多个不同的微波谐振腔合并为一个多终端微波传输线谐振腔，也可以更好地控制与调控量子芯片的参数，有利于开发多量子芯片架构时的宏观调控。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，,所述微波传输线谐振腔还包括：至少一个次级节点；

所述次级节点位于所述中心节点10与所述终端20之间，所述次级节点到终端20的距离与所述次级节点到中心节点10的距离之比小于或等于1；

所述次级节点通过所述传输线30连接两个所述终端20。

所述次级节点可以设置于所述终端20到所述中心节点10之间的中点，但不仅限于该位置。两个终端20通过次级节点能够形成更短的半波长微波传输线谐振腔，对应更高的谐振模式。为了避免这个高阶谐振模式对整个量子数据总线性能的影响，我们设计其频率至少为微波传输线谐振腔谐振模式的二倍。对应地，次级节点可以设置为中心节点10到每个终端20的中点，或者更加靠近终端20，但不能更靠近中心节点10。

参考图5，在图5中，所述终端20的数量为8个，所述次级节点60的数量为4个；

4个所述终端20通过所述传输线30与所述中心节点10连接；

4个所述次级节点60位于所述中心节点10与所述终端20连接的中点。

在附图5中所示的微波传输线谐振腔可以同时耦合最多十六个量子比特。

在图5的基础上，可以进一步增加次级节点60的数量，并且增加每个次级节点60上连接的终端20数量，最终实现可观的二维多量子比特集成的量子芯片结构。

相应的，本申请实施例还提供了一种微波传输线谐振腔的制备方法，如图6所示，包括：

S101：提供基片；

S102：在所述基片表面形成一层预设金属层；

S103：对所述预设金属层进行刻蚀，形成中心节点和通过传输线与所述中心节点连接的至少三个终端；

所述中心节点的任意边长大于所述传输线的宽度，且所述中心节点与每个所述终端之间的传输线长度均相等；

每两个所述终端之间的传输线长度均相等。

需要说明的是，所述终端不仅局限于普通的共面波导终端，出于量子芯片的需求，还可以调整为交指电容终端或微带线终端等其他类型终端，每个终端都可以耦合一直两个量子比特。本申请对所述终端的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。

另外，所述预设金属层可以为铝或铌等金属材料，即所述终端、传输线和中心节点的制备材料可以为铝或铌等金属材料，但优选的，所述终端、传输线和中心节点的制备材料为铌。铌作为超导金属的一种，铌制结构相较于铝制结构相比，具有品质因子更高，耗散更低的优点。

所述基片一般采用单晶硅基片或蓝宝石材料基片，这两种材料的戒指损耗相对最低。在大规模量子比特集成中，这两点能够确保微波传输线谐振腔以及量子比特的工作性能维持在最佳状态。

可选的，所述传输线的形状为直线形状或曲线形状。为了降低微波传输线谐振腔的整体体积，所述传输线的形状优选为曲线形状。连接中心节点和终端的传输线的形状并不需要保持一致，可以适当弯绕以节省空间。但为了最大程度利用空间布局，优选以中心辐射对称的方式设计。中心节点到不同终端之间的传输线之间的间距不得低于一个最小间隔参数，这个最小间隔参数视实际情况而定。例如，在本申请的一个实施例中，所述最小间隔参数为 100μm，但在本申请的其他实施例中，所述最小间隔参数还可以为50μm、 60μm、70μm等。设定最小间隔参数的目的是为了避免线路上信号辐射导致的串扰。

还需要说明的是，本方案的设计基于匹配基于阻抗匹配原则，针对所使用的具体基片的参数，设计对应的传输线的线宽比。然后调整中心节点到每个终端的距离，来设计微波传输线谐振腔的耦合模式。耦合模式的是指在具体的结构中，两个终端间的半波长共面波导谐振腔的实际谐振频率。该频率可以直接通过微波仿真软件Sonnet计算出来。为了达到最有效的耦合效果，传输线的耦合模式设计在7-8GHz范围内。传输线的形状不仅限于附图1所示的直线形状，可以使用螺旋形，圆弧形等弯绕方式来进一步缩小尺寸，以利用整个芯片的空间。

所述微波传输线谐振腔相较于传统的微波谐振腔具有以下优点：

1、所述微波传输线谐振腔使用共面波导结构，从同一个中心节点出发，通过传输线延伸至多个终端，来代替传统的半波长共面波导传输线，作为多比特量子芯片中的量子数据总线；

2、所述微波传输线谐振腔的任意两个终端间都能够形成一端半波长谐振腔，将量子比特放置在终端处能够确保相互间的耦合达到最大；

3、所述微波传输线谐振腔的任意两个终端间的路径距离都是相等的，这样的优势是可以将不同终端间的信号干扰降至最低，在维持单一的耦合模式的同时，耦合量子比特的能力随终端的数量线性提升，并且有利于整个量子芯片实施整齐划一的规划和涉及；

4、所述微波传输线谐振腔的中心节点到终端间的传输线的形状可以灵活化涉及，经过中心节点辐射对称的设计方式，能够最大程度上利用空间布局，降低量子芯片的整体体积。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，参考图7，所述对所述预设金属层进行刻蚀具体包括：

S1031：在所述预设金属层表面旋涂一层光刻胶，使用紫外光刻，曝光出所述中心节点、传输线及至少三个终端的图案，并进行显影；

S1032：使用反应离子刻蚀技术刻蚀吊多余部分的预设金属层；

S1033：去除残胶，得到完整的微波传输线谐振腔。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个具体实施例中，参考图8，所述去除残胶之后还包括：

S104：旋涂一层保护胶，使所述保护胶覆盖所述中心节点、传输线及至少三个终端。

在保护胶形成后，即可继续用于下一步量子比特精细结构的加工。

相应的，本申请实施例还提供了一种量子数据总线，包括如上述任一实施例所述的微波传输线谐振腔。

相应的，本申请实施例还提供了一种量子芯片，包括量子比特及如上述任一实施例所述的微波传输线谐振腔。

综上所述，本申请实施例提供了一种量子芯片、数据总线、微波传输线谐振腔及其制备方法，其中，所述微波传输线谐振腔从同一个中心节点出发，利用传输线延伸至多个终端，每一个终端都可以用于耦合一至两个量子比特，从而增加了微波传输线谐振腔能够耦合的量子比特数量；并且所述微波传输线谐振腔较现有技术中的微波谐振腔能够耦合的量子比特数量更多，不需要通过增加微波谐振腔数量的方式来增加量子芯片能够耦合的量子比特数量，降低了能够耦合多量子比特的量子芯片的结构设计复杂性。

进一步的，通过实验发现，以中心节点到每个终端的传输线长度相等，以及每两个终端之间的传输线长度相等的原则设计的微波传输线谐振腔可以将不同终端间的信号干扰降至最低，在维持单一的耦合模式的同时，耦合量子比特的能力随终端的数量线性提升，有利于整个量子芯片实施整齐划一的规划与设计。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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。