超导排型柔性传输线结构的制作方法

1.本公开属于超导量子处理技术领域，涉及一种超导排型柔性传输线结构。


背景技术：

2.超导量子处理器工作在绝对零度附近，其自身处于超导状态，它的控制信号一般采用同轴线的形式从室温逐级连接到处于绝对零度附近超导芯片上。如果传递信号的传输线不超导，将会形成高温区到低温区的热量传递通道(漏热)，从而影响/浪费制冷机的制冷能力。如果能在所有温度区间或者部分温度区间能够使用超导信号传输线，利用超导体的绝热特性，将大大改善漏热的问题。
3.现有能够见到的业界超导线都是同轴线缆型的单根线缆，主要材料是铌，铌钛，铝等。不仅成本高，而且其单根线的设计，使得高密度使用体积大，连接不便，使用严重受限。
4.而随着超导量子芯片的规模不断扩大，信号线数量急剧上升，提升超导线缆的集成度成为具有实际意义的问题。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.本公开提供了一种超导排型柔性传输线结构，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
7.(二)技术方案
8.根据本公开的一个方面，提供了一种超导排型柔性传输线结构，包括：第一超导金属箔片，作为第一地平面；第二超导金属箔片，与所述第一超导金属箔片相对设置，作为第二地平面；第三超导金属箔片，作为信号线，设置于所述第一超导金属箔片和所述第二超导金属箔片之间；第一柔性介电层，设置于所述第一超导金属箔片与所述第三超导金属箔片之间；以及第二柔性介电层，设置于所述第二超导金属箔片与所述第三超导金属箔片之间。
9.在本公开的一实施例中，所述第一超导金属箔片和所述第二超导金属箔片的厚度低于0.05mm；所述第三超导金属箔片的厚度低于0.05mm。
10.在本公开的一实施例中，所述第三超导金属箔片的个数为至少一个，当所述第三超导金属箔片的个数大于等于2个时，相邻两个第三超导金属箔片之间存在间隙。
11.在本公开的一实施例中，在相邻两个所述第三超导金属箔片之间的间隙中填充有介电材料。
12.在本公开的一实施例中，所述第一超导金属箔片与所述第二超导金属箔片之间电性连接。
13.在本公开的一实施例中，所述第一超导金属箔片与所述第二超导金属箔片通过与连接器进行连接以实现电性互连。
14.在本公开的一实施例中，所述第三超导金属箔片呈长条状，并沿着第一方向延伸；所述第一超导金属箔片沿着平行于所述第一方向的长度大于所述第一柔性介电层沿着平
行于所述第一方向的长度；和/或，所述第二超导金属箔片沿着平行于所述第一方向的长度大于所述第二柔性介电层沿着平行于所述第一方向的长度，且通过折叠第一超导金属箔片和/或第二超导金属箔片使得所述第一超导金属箔片与所述第二超导金属箔片相互接触以实现电性互连；或者，所述第一超导金属箔片沿着垂直于所述第一方向的长度大于所述第一柔性介电层沿着垂直于所述第一方向的长度；和/或，所述第二超导金属箔片沿着垂直于所述第一方向的长度大于所述第二柔性介电层沿着垂直于所述第一方向的长度，且通过折叠第一超导金属箔片和/或第二超导金属箔片使得所述第一超导金属箔片与所述第二超导金属箔片相互接触以实现电性互连。
15.在本公开的一实施例中，所述第一柔性介电层和所述第二柔性介电层为相互独立的片状，所述第一柔性介电层和所述第二柔性介电层将所述第三超导金属箔片包覆于内部。
16.在本公开的一实施例中，所述第一柔性介电层和所述第二柔性介电层为一体化介电结构，所述第三超导金属箔片设置于所述一体化介电结构的内部。
17.在本公开的一实施例中，所述第三超导金属箔片呈长条状，所述超导排型柔性传输线结构绕着平行于所述长条状的延伸方向呈卷曲结构，或者所述超导排型柔性传输线结构沿着平行于所述长条状的延伸方向呈弯折结构。
18.(三)有益效果
19.从上述技术方案可以看出，本公开提供的超导排型柔性传输线结构，具有以下有益效果：
20.(1)该超导排型柔性传输线结构为地平面-柔性介电层-信号线-柔性介电层-地平面的夹层结构，以超导金属箔片作为地平面和信号线，利用柔性介电层隔开地平面与信号线，与经典的同轴线缆相比，位于表面的地平面采用超导金属箔片，作为信号线的第三超导金属箔片可以通过贴附的形式固定于第一柔性介电层和第二柔性介电层这两个柔性介电层之间，然后在上述柔性介电层的外表面贴附作为地平面的第一超导金属箔片和第二超导金属箔片，上述结构在整体上提升了该传输线的集成度，同时安装操作的柔韧性更好，而且材料来源简单，可以标准化生产，也可以手工制作，为超导量子处理器芯片的高密度信号连接提供更高集成度的连接线方案。
21.(2)该超导排型柔性传输线结构能够解决超导量子处理大规模高密度信号连接的需求，并由于地平面与信号线均采用超导金属箔片，具有减少漏热的优点。
22.(3)第一地平面和第二地平面这两个地平面之间的电性连接方式多种多样，便于工业化生产。例如，可以通过与连接器进行连接以实现互连；也可以通过设置用作第一地平面的第一超导金属箔片沿着信号线延伸方向的长度大于第一柔性介电层沿着该方向的长度，从而使得第一超导金属箔片折叠后与第二超导金属箔片接触实现电性连接，或者，用作第一地平面的第一超导金属箔片沿着垂直于信号线延伸方向的长度大于第一柔性介电层沿着垂直于信号线延伸方向的长度，从而使得第一超导金属箔片折叠后与第二超导金属箔片接触实现电性连接；当然，上述情况也可以适用于第二超导金属箔片，或者是第一超导金属箔片与第二超导金属箔片同时可以折叠实现相互接触，从而实现了第一地平面与第二地平面之间的电学接触。
附图说明
23.图1为根据本公开一实施例所示的超导排型柔性传输线结构的结构示意图。
24.图2为如图1所示的超导排型柔性传输线结构的爆炸示意图。
25.图3为本公开实施例的超导排型柔性传输线结构绕着轴线卷曲的一种示例。
26.图4为本公开实施例的超导排型柔性传输线结构进行弯折的一种示例。
27.图5为本公开一实施例的超导排型柔性传输线结构的两个地平面之间实现互连的示意图。
28.图6为本公开另一实施例的超导排型柔性传输线结构的两个地平面之间实现互连的示意图。
29.【符号说明】
30.11-第一超导金属箔片；
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12-第二超导金属箔片；
31.21-第一柔性介电层；
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22-第二柔性介电层；
32.31-第三超导金属箔片；
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32-间隙；
33.20一体化介电结构。
具体实施方式
34.超导同轴线缆最典型的问题是其集成度不够高，当超导量子芯片需要大规模信号连接时，同轴线的连接形式，将占用大量的体积，不利于量子处理器规模的扩展。
35.为解决超导同轴线集成度不够的问题，只能考虑超导排线的形式，需要保证单排信号线的密度高，且具有线缆的柔韧性。本公开给出了一种简单易行的排线设计和可快速实现的方案。带状线的信号传输线方案在电路板技术上较为成熟，可以通过在三层金属平面上，按照地层-信号层-地层的形式设置出一条带状线的信号线。但是常规电路板为硬质，不具备柔软可弯折的线缆特性。而柔性电路板的加工工艺，与超导材料又不兼容。所以基于上述分析，提供了一种超导排型柔性传输线结构，该超导排型柔性传输线结构为地平面-柔性介电层-信号线-柔性介电层-地平面的夹层结构，以超导金属箔片作为地平面和信号线，利用柔性介电层隔开地平面与信号线，与经典的同轴线缆相比，位于表面的地平面采用超导金属箔片，作为信号线的第三超导金属箔片可以通过贴附的形式固定于第一柔性介电层和第二柔性介电层这两个柔性介电层之间，然后在上述柔性介电层的外表面贴附作为地平面的第一超导金属箔片和第二超导金属箔片，上述结构在整体上提升了该传输线的集成度，同时安装操作的柔韧性更好，而且材料来源简单，可以标准化生产，也可以手工制作，为超导量子处理器芯片的高密度信号连接提供更高集成度的连接线方案。
36.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。术语“低于”包含端点值。
37.本公开的第一个示例性实施例提供了一种超导排型柔性传输线结构。
38.图1为根据本公开一实施例所示的超导排型柔性传输线结构的结构示意图。图2为如图1所示的超导排型柔性传输线结构的爆炸示意图。
39.参照图1和图2所示，本公开的超导排型柔性传输线结构，包括：第一超导金属箔片11，作为第一地平面；第二超导金属箔片12，与所述第一超导金属箔片11相对设置，作为第二地平面；第三超导金属箔片31，作为信号线，设置于所述第一超导金属箔片11和所述第二
超导金属箔片12之间；第一柔性介电层21，设置于所述第一超导金属箔片11与所述第三超导金属箔片31之间；以及第二柔性介电层22，设置于所述第二超导金属箔片12与所述第三超导金属箔片31之间。
40.本实施例中，第一超导金属箔片11、第二超导金属箔片12和第三超导金属箔片31均为超导金属制作而成的箔片。上述超导金属均有现有技术中的材料。超导金属材料包括但不限于为：铌、铝、现有的确定组分的铌钛合金等。超导金属箔片可以按照不同超导温度要求选择满足要求的超导金属对应的箔片。
41.该超导排型柔性传输线结构为地平面-柔性介电层-信号线-柔性介电层-地平面的夹层结构，以超导金属箔片作为地平面和信号线，利用柔性介电层隔开地平面与信号线，与经典的同轴线缆相比，位于表面的地平面采用超导金属箔片，作为信号线的第三超导金属箔片可以通过贴附的形式固定于第一柔性介电层和第二柔性介电层这两个柔性介电层之间，然后在上述柔性介电层的外表面贴附作为地平面的第一超导金属箔片和第二超导金属箔片，上述结构在整体上提升了该传输线的集成度，同时安装操作的柔韧性更好，而且材料来源简单，可以标准化生产，也可以手工制作，为超导量子处理器芯片的高密度信号连接提供更高集成度的连接线方案。
42.下面结合图3和图4来介绍该超导排型柔性传输线结构相较于单根线缆能够提高集成度的效果。
43.在本公开的一实施例中，所述第三超导金属箔片31呈长条状，所述超导排型柔性传输线结构绕着平行于所述长条状的延伸方向呈卷曲结构，或者所述超导排型柔性传输线结构沿着平行于所述长条状的延伸方向呈弯折结构。
44.图3为本公开实施例的超导排型柔性传输线结构绕着轴线卷曲的一种示例。
45.参照图3所示，在一实施例中，图3中实线箭头示意了卷曲方向，该超导排型柔性传输线结构按照箭头所示意的方式进行卷曲可以得到卷曲结构。例如，本实施例中，第三超导金属箔片31为长条状；该超导排型柔性传输线结构可以绕着轴线发生卷曲，得到卷曲结构。上述轴线即为平行于所述长条状延伸方向，即沿着所述长条状长边的方向，该轴线在图3中对应为垂直于纸面的方向。当然，在图3中以初始状态下第一超导金属箔片11处于外围、第二超导金属箔片12处于内侧进行卷曲作为示意，实际上由于该超导排型柔性传输线结构具有较好的柔韧性，第一超导金属箔片11处于内侧、第二超导金属箔片12处于外围进行卷曲的情况也是可以实现的，后面类似的拓展情况不再赘述，根据示例的情况可以拓展多种弯折或卷曲的形式。
46.图4为本公开实施例的超导排型柔性传输线结构进行弯折的一种示例。
47.参照图4所示，在另一实施例中，图4实线箭头示意了弯折的方向，该超导排型柔性传输线结构按照箭头所示意的方式进行弯折可以得到弯折结构。例如，本实施例中，第三超导金属箔片31为长条状；该超导排型柔性传输线结构可以沿着平行于该轴线的方向发生弯折，得到弯折结构。上述轴线即为平行于所述长条状延伸方向，即沿着所述长条状长边的方向，该轴线在图4中对应为垂直于纸面的方向。当然，图4中示例性示意了具有多个周期呈波浪形的弯折形式，该弯折还可以是具有一个周期呈“v”字形或者“u”字形的弯折。当然，上述实施例仅作为示例，其他经过合理变化或者拓展形式的弯折也包含在本公开的保护范围之内。
48.在本公开的一实施例中，第一超导金属箔片11和第二超导金属箔片12的厚度低于0.05mm，第三超导金属箔片31的厚度低于0.05mm，包括端点值。第一超导金属箔片11、第二超导金属箔片12以及第三超导金属箔片31是由超导金属材料加工成特定厚度的薄片。其中，第一超导金属箔片11和第二超导金属箔片12作为地平面，第三超导金属箔片31作为信号线。在一实例中，第三超导金属箔片31可以是长条状。第三超导金属箔片31的厚度可以在十几微米～几十纳米级别。通过采用超导金属箔条的形式，降低了超导排型柔性传输线结构的整体厚度，有助于进一步提高集成度。
49.在本公开的一实施例中，所述第三超导金属箔片31的个数为至少一个，当所述第三超导金属箔片31的个数大于等于2个时，参照图2所示，相邻两个第三超导金属箔片31之间存在间隙32。本实施例中以多个第三超导金属箔片31排布为阵列形式作为示例，以第三超导金属箔片31为长条状的形状作为示意，其他形状以及排列布局的形式也在本公开的保护范围之内，这里的实施例仅作为示例。作为信号线的第三超导金属箔片31的尺寸、相邻两个第三超导金属箔片31之间的间隙尺寸等参数可以根据实际的阻抗、带宽等需求，利用理论计算或者电磁场仿真的方式获得，其中仿真方案最为推荐，相较于理论计算，进行仿真得到的结果较为精确。
50.在本公开的一实施例中，在相邻两个所述第三超导金属箔片31之间的间隙中32填充有介电材料。当然，在本公开的超导排型柔性传输线结构中，在相邻两个第三超导金属箔片31之间的间隙32中可以填充介电材料，也可以不填充。由于金属箔片很薄，第一柔性介电层21和第二柔性介电层22很容易自动的填充到相邻两个所述第三超导金属箔片31之间的间隙中32。
51.本公开的超导排型柔性传输线结构的组装过程可以按照实际需要进行灵活设置，但是信号线的排线特征，主要可以通过以下几种方式实现，例如可以将指定(预设)尺寸的超导金属箔按照预设的间隙逐条贴合；也可以将整张超导金属箔与第一柔性介电层或第二柔性介电层贴合后进行空隙蚀刻，得到所需要的排布形式；当然还可以将整张金属箔与第一柔性介电层或第二柔性介电层贴合后进行缝隙的切换和剔除等方式得到信号线的排布。
52.本实施例中，该超导排型柔性传输线结构为带状线结构，需要信号线上下两层的地平面之间具有良好的电性连接或电学接触。即，第一超导金属箔片11与第二超导金属箔片12之间电性连接。
53.第一地平面11和第二地平面12这两个地平面之间的电性连接方式多种多样，便于工业化生产。例如，可以通过与连接器进行连接以实现互连；也可以通过设置用作第一地平面的第一超导金属箔片沿着信号线延伸方向的长度大于第一柔性介电层沿着该方向(信号线延伸方向)的长度，从而使得第一超导金属箔片折叠后与第二超导金属箔片接触实现电性连接，或者，设置用作第一地平面的第一超导金属箔片沿着垂直于信号线延伸方向的长度大于第一柔性介电层沿着垂直于信号线延伸方向的长度，从而使得第一超导金属箔片折叠后与第二超导金属箔片接触实现电性连接；当然，上述情况也可以适用于第二超导金属箔片，或者是第一超导金属箔片与第二超导金属箔片同时可以折叠实现相互接触，从而实现了第一地平面与第二地平面之间的电学接触。
54.下面结合图5和图6分别对其中两种连接方式进行介绍。
55.图5为本公开一实施例的超导排型柔性传输线结构的两个地平面之间实现互连的
示意图。
56.参照图2和图5所示，第三超导金属箔片31呈长条状，该第三超导金属箔片31的延伸方向称之为第一方向，即该第三超导金属箔片并沿着第一方向延伸，在图5中第一方向为垂直于纸面的方向，例如沿着x方向；本实施例中以垂直于第一方向上的第一超导金属箔片11可折叠作为示例。参照图5所示，垂直于第一方向在图5中对应为沿着y方向，第一超导金属箔片11沿着垂直于第一方向的长度大于第一柔性介电层21沿着垂直于第一方向的长度；如此一来，第一超导金属箔片11可以将超出第一柔性介电层21的长度部分进行折叠，图5中以虚线示意了第一超导金属箔片11折叠后的状态，图5中示意了两种折叠状态，在一示例中，例如右侧虚线示意的临界折叠状态，第一超导金属箔片11经过折叠后与第二超导金属箔片21可以接触到，使得第一超导金属箔片11与第二超导金属箔片12相互接触以实现电性互连。在另一示例中，参照图5中左侧虚线示意的另一种折叠状态，此时第一超导金属箔片11经过折叠后可以与第二超导金属箔片21的下表面接触到；上述两种折叠方式差异在于第一超导金属箔片11超出第一柔性介电层21的长度不同。只要满足以下条件的长度均在保护范围之内：通过第一超导金属箔片11折叠后得所述第一超导金属箔片11与所述第二超导金属箔片12相互接触以实现电性互连。
57.图6为本公开另一实施例的超导排型柔性传输线结构的两个地平面之间实现互连的示意图。
58.上述图5的示例仅以通过折叠第一超导金属箔片11实现第一地平面和第二地平面之间的电性连接作为示例，在其他实施例中，类似的，也可以是仅通过折叠第二超导金属箔片21实现第一地平面和第二地平面之间的电性连接；或者，参照图6所示，也可以通过同时折叠第一超导金属箔片11和第二超导金属箔片21实现第一地平面和第二地平面之间的电性连接。
59.另外，上述实施例中以垂直于第一方向上的作为地平面的超导金属箔片可折叠作为示例，在其他实施例中，也可以沿着平行于第一方向，通过作为地平面的超导金属箔片折叠实现。
60.即，在本公开的实施例中，第三超导金属箔片31呈长条状，并沿着第一方向延伸；第一超导金属箔片11沿着平行于第一方向的长度大于第一柔性介电层21沿着平行于第一方向的长度；和/或，第二超导金属箔片12沿着平行于第一方向的长度大于第二柔性介电层22沿着平行于第一方向的长度，且通过折叠第一超导金属箔片11和/或第二超导金属箔片12使得第一超导金属箔片11与第二超导金属箔片12相互接触以实现电性互连。或者，第一超导金属箔片11沿着垂直于第一方向的长度大于第一柔性介电层21沿着垂直于第一方向的长度；和/或，第二超导金属箔片12沿着垂直于第一方向的长度大于第二柔性介电层22沿着垂直于第一方向的长度，且通过折叠第一超导金属箔片11和/或第二超导金属箔片12使得第一超导金属箔片11与第二超导金属箔片12相互接触以实现电性互连。其中，根据前文实施例的介绍，本段中前一个“和/或”与后一个“和/或”的内容是一一对应的。
61.在本公开的其他实施例中，第一超导金属箔片11与第二超导金属箔片12通过与连接器进行连接以实现电性互连。这种方式无需变化信号线的排线形式，这里不进行详述。
62.本公开中，柔性介电层与第三超导金属箔片之间的结构形式也可以变化，下面结合图5和图6来进行介绍。
63.在本公开的一实施例中，参照图5所示，第一柔性介电层21和第二柔性介电层22为一体化介电结构20，第三超导金属箔片31设置于该一体化介电结构20的内部。
64.在本公开的另一实施例中，参照图6所示，第一柔性介电层21和第二柔性介电层22为相互独立的片状，第一柔性介电层21和第二柔性介电层22将第三超导金属箔片31包覆于内部。
65.下面以一具体实例来介绍上述超导排型柔性传输线结构的制作方式。
66.在一示例中，上述超导排型柔性传输线结构的制作方法，包括以下步骤：
67.(a)通过仿真计算得到作为信号线的第三超导金属箔片31的宽度与缝隙宽度；
68.(b)柔性介电材料采用特氟龙材料，利用大面积或整张金属箔与介质材料双面胶带的一面进行粘合底层，做到金属面朝下(外)，有胶面朝上(内)，得到贴附有第二柔性介电层的第二超导金属箔片；
69.(c)将一个超导金属箔片仿真给出的各宽度进行剪裁；剪裁后的超导金属箔片为第三超导金属箔片，作为信号线；
70.(d)将作为信号线的第三超导金属箔片按照指定间隙大小摆放/粘贴在步骤(b)得到的贴附有第二柔性介电层的第二超导金属箔片上；
71.(e)按照与步骤(b)相同的方式准备贴附有第一柔性介电层的第一超导金属箔片，同时使得第一超导金属箔片沿着平行于信号线延伸方向的长度大于第一柔性介电层沿着相同方向的长度；
72.(f)将步骤(e)得到的贴附有第一柔性介电层的第一超导金属箔片按照第一柔性介电层与第三超导金属箔片相靠近的方向放置，从而得到第一超导金属箔片-第一柔性介电层-第三超导金属箔片-第二柔性介电层-第二超导金属箔片的夹层结构，将第一超导金属箔片超出第一柔性介电层的长度部分折叠实现第一超导金属箔片与第二超导金属箔片的相互接触，实现两个地平面的电性连接。
73.在工业生产中，也可以预先制作好超导金属箔和介电材料箔，进行压合、刻蚀等操作，形成上述超导排型柔性传输线结构。
74.综上所述，本公开提供了一种超导排型柔性传输线结构，为地平面-柔性介电层-信号线-柔性介电层-地平面的夹层结构，以超导金属箔片作为地平面和信号线，利用柔性介电层隔开地平面与信号线，与经典的同轴线缆相比，位于表面的地平面采用超导金属箔片，作为信号线的第三超导金属箔片可以通过贴附的形式固定于第一柔性介电层和第二柔性介电层这两个柔性介电层之间，然后在上述柔性介电层的外表面贴附作为地平面的第一超导金属箔片和第二超导金属箔片，上述结构在整体上提升了该传输线的集成度，同时安装操作的柔韧性更好，而且材料来源简单，可以标准化生产，也可以手工制作，为超导量子处理器芯片的高密度信号连接提供更高集成度的连接线方案。该超导排型柔性传输线结构能够解决超导量子处理大规模高密度信号连接的需求，并由于地平面与信号线均采用超导金属箔片，具有减少漏热的优点。第一地平面和第二地平面这两个地平面之间的电性连接方式多种多样，便于工业化生产。
75.除非另作定义，本公开实施例以及附图中，同一标号代表同一含义。为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大；并且，本公开一些实施例的附图中，只示出了与本公开构思相关的结构，其他结构可参考通常设计。另外，一些附
图只是示意出本公开实施例的基本结构，而省略了细节部分。
76.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语表示开放的意义，除了明确列举的元件、部件、部分或项目外，并不排除其他元件、部件、部分或者项目。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。可以理解，当诸如层、膜、区域或衬底基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。
77.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。