一种量子参量放大器的制作方法

本发明属于信号放大器领域，特别是一种量子参量放大器。
背景技术：
：在量子计算领域中，为了得到量子芯片的运算结果，我们需要对量子芯片输出的信号即量子比特读取信号进行采集和分析，通常量子比特读取信号非常微弱，一般需要在量子比特读取信号的输出线路中加多级放大器用以提高信号强度，通常，前级的放大器采用量子参量放大器。量子参量放大器工作时，附带的噪声低至接近量子极限的水平，这正是其名称的由来。现有量子参量放大器基于非线性混频原理工作，为了有效的将量子比特读取信号进行放大，使得量子参量放大器工作在最佳模式需要额外施加频率与待放大信号频率或者其倍频接近的泵浦信号，例如对应施加的泵浦信号接近待放大信号对应的是四波混频工作模式，施加的泵浦信号接近两倍的待放大信号频率对应的是三波混频工作模式。目前的问题在于，现有的量子参量放大器在最佳工作模式下，即泵浦信号的频率必须选择为接近待放大信号频率的倍频，在输出的信号中存在频率极其接近待放大信号频率的无关信号，这些无关信号由于频率过于接近待放大信号从而很难通过滤波器消除，它们会干扰量子比特读取信号的解调过程，进而导致量子芯片运算结果的解调保真度与解调效率大幅降低。技术实现要素：本发明的目的是提供一种量子参量放大器，以解决现有技术中的不足，使得量子参量放大器处于最佳工作模式的泵浦信号的频率无需选择为待放大信号频率的倍频。本发明采用的技术方案如下：一种量子参量放大器，量子参量放大器包括依次连接的用于组成振荡放大电路的电容模块、反射式微波谐振腔和可调电感的超导量子干涉装置；所述可调电感的超导量子干涉装置远离所述反射式微波谐振腔的一端接地；且可通过调节所述可调电感的超导量子干涉装置的电感使所述反射式微波谐振腔的谐振频率等于待放大信号的频率，其中：所述待放大信号从所述电容模块处耦合进入所述振荡放大电路，所述振荡放大电路在泵浦信号的作用下放大所述待放大信号，并产生若干种闲频信号；所述量子参量放大器还包括电压调制电路；所述电压调制电路设置在所述可调电感的超导量子干涉装置靠近所述反射式微波谐振腔一端；所述可调电感的超导量子干涉仪装置可在所述电压调制电路提供的偏置电压的作用下将所述振荡放大电路中产生的至少一种所述闲频信号释放。进一步的，所述可调电感的超导量子干涉装置包括互感耦合连接的超导量子干涉仪和磁通调制电路；所述超导量子干涉仪为由若干约瑟夫森结并联构成的闭环装置；所述磁通调制电路用于通过调节所述闭环装置的磁通量进而调节所述超导量子干涉仪的电感。进一步的，所述超导量子干涉仪为由两个约瑟夫森结并联构成的闭环装置。进一步的，所述磁通调制电路包括依次连接的磁通调制线和用于产生偏置电流的电流装置；其中：所述磁通调制线用于传输所述偏置电流，并使所述偏置电流与所述超导量子干涉仪互感耦合。进一步的，所述磁通调制线为共面波导微带传输线。进一步的，所述电流装置为电流源、或依次连接的可以提供所述偏置电流的电压源与电阻。进一步的，用于放大所述待放大信号的泵浦信号从所述电容模块、或所述磁通调制电路耦合进入所述振荡放大电路。进一步的，所述电容模块为交指电容、分布式电容和平行式电容其中一种。进一步的，所述反射式微波谐振腔为长度为所述待放大信号波长四分之一的共面波导微波谐振腔。进一步的，所述量子参量放大器还包括环形器；所述环形器设置在所述电容模块远离所述反射式微波谐振腔的一端，用于将所述待放大信号输入所述振荡放大电路，并将所述振荡放大电路产生的输出信号输出。进一步的，所述量子参量放大器还包括滤波器；所述滤波器设置在所述环形器远离所述电容模块的一端。与现有技术相比，本发明提供了一种量子参量放大器，包括依次连接的用于组成振荡放大电路的电容模块、反射式微波谐振腔和可调电感的超导量子干涉装置；所述可调电感的超导量子干涉装置远离所述反射式微波谐振腔的一端接地；通过调节所述可调电感的超导量子干涉装置的电感使得所述反射式微波谐振腔的谐振频率等于待放大信号的频率，从而使得待放大信号和泵浦信号在反射式微波谐振腔中进行非线性相互作用进而放大待放大信号，待放大信号和泵浦信号进行非线性相互作用后，输出信号中不仅包括待放大信号，还包括各种闲频信号fi，还包括电压调制电路，设置在所述可调电感的超导量子干涉装置靠近所述反射式微波谐振腔一端，当施加偏置电压时，使得量子参量放大器处于最佳工作模式的泵浦信号频率fp无需选择为待放大信号fs的倍频，从而当选择的泵浦信号频率与待放大信号频率具有可被滤波器拆分的距离时，输出的每一种闲频信号fi也都与待放大信号fs具有可被滤波器拆分的距离，本发明通过设置电压调制电路，使得量子参量放大器的工作模式调节不再仅仅受制于泵浦信号，而是通过电压调制电路提供的电压偏置和泵浦信号一起调节，当选择合适的偏置电压和泵浦信号时，可以使得量子参量放大器中产生的每一种无关信号均可以与待放大信号在频谱上保持可被滤波器拆分的距离，进而可以消除这些无关信号，提高量子参量放大器对量子比特读取信号的读取保真度。附图说明图1是本发明实施例提供的一种量子参量放大器的结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种量子参量放大器的电路原理图；图3是本发明另一种实施例提供的一种量子参量放大器的电路原理图。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，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。参见图1，本发明的实施例提供了一种量子参量放大器，所述量子参量放大器包括依次连接的用于组成振荡放大电路的电容模块100、反射式微波谐振腔200和可调电感的超导量子干涉装置300；所述可调电感的超导量子干涉装置300远离所述反射式微波谐振腔200的一端接地；且可通过调节所述可调电感的超导量子干涉装置300的电感使所述反射式微波谐振腔200的谐振频率等于待放大信号的频率，其中：所述待放大信号从所述电容模块100处耦合进入所述振荡放大电路，所述振荡放大电路在泵浦信号的作用下放大所述待放大信号，并产生若干种闲频信号；所述量子参量放大器还包括电压调制电路400；所述电压调制电路400设置在所述可调电感的超导量子干涉装置300靠近所述反射式微波谐振腔200一端；所述可调电感的超导量子干涉仪装置300可在所述电压调制电路400提供的偏置电压的作用下将所述振荡放大电路中产生的至少一种所述闲频信号释放。与现有技术相比，本发明提供了一种量子参量放大器，包括依次连接的用于组成振荡放大电路的电容模块100、反射式微波谐振腔200和可调电感的超导量子干涉装置300；所述可调电感的超导量子干涉装置300远离所述反射式微波谐振腔200的一端接地；通过调节所述可调电感的超导量子干涉装置300的电感使得所述反射式微波谐振腔200的谐振频率等于待放大信号的频率，从而使得待放大信号和泵浦信号在反射式微波谐振腔200中进行非线性相互作用进而放大待放大信号，待放大信号和泵浦信号进行非线性相互作用后，输出信号中不仅包括待放大信号，还包括各种闲频信号fi，还包括电压调制电路400，设置在所述可调电感的超导量子干涉装置300靠近所述反射式微波谐振腔200一端，当施加偏置电压时，使得量子参量放大器处于最佳工作模式的泵浦信号频率fp无需选择为待放大信号fs的倍频，从而当选择的泵浦信号频率与待放大信号频率具有可被滤波器拆分的距离时，输出的每一种闲频信号fi也都与待放大信号fs具有可被滤波器拆分的距离，本发明通过设置电压调制电路400，使得量子参量放大器的工作模式调节不再仅仅受制于泵浦信号，而是通过电压调制电路提供的电压偏置和泵浦信号一起调节，当选择合适的偏置电压和泵浦信号时，可以使得量子参量放大器中产生的每一种无关信号均可以与待放大信号在频谱上保持可被滤波器拆分的距离，进而可以消除这些无关信号，提高量子参量放大器对量子比特读取信号的读取保真度。需要说明的是，在量子计算领域中，为了得到量子芯片的运算结果，我们需要对量子芯片输出的信号即量子比特读取信号进行采集和分析。量子比特读取探测信号极其微弱，以超导量子比特体系为例，量子比特读取探测信号通常在4-8ghz频段，功率低至-140dbm以下，甚至达到-150dbm以下。考虑到量子比特探测信号与量子比特读取探测器的耦合效率，-150dbm到-140dbm的功率对应探测器内部的光子数量大约为1-10个左右，如此微弱的探测信号，在经过探测器再次传出后，还会额外受到损失。因此，量子芯片的应用，需要解决的核心问题之一是如何从如此微弱的量子比特读取信号中提取出有效的量子态信息。假设最终离开量子比特读取探测器的量子比特读取信号具有10个有效光子，它们将进入后续线路中，与热噪声、电噪声等混在一起。其中，标准的热噪声满足热力学分布，可以使用转化为光子数n，上式中kb为玻尔兹曼常数，t为频率为f处的环境噪声温度，h为普朗克常数。假设量子芯片处于10mk温度环境，则根据上式，n小于0.1，可忽略不计，但是，量子比特读取信号的接收系统位于室温，n大约为1000，如果量子比特读取信号直接传出来，则会被淹没在噪声中。因此，使用参量放大器是必须的。任何放大器在放大原始信号的同时，都会额外地引入噪声。我们通常以噪声的等效温度，也就是噪声来衡量，该指标越大，则噪声越差。放大器一定会恶化信噪比，因此，放大器的设置应该是，尽可能地抬高放大器的增益，同时控制放大器的噪声温度。噪声温度同样满足因此，我们可以将噪声温度转化为频率为f的噪声光子数。而信噪比可以描述为，信号光子数与噪声光子数的比值。目前商用的放大器，性能最好的是瑞典lnf公司生产的低噪声放大器，可以放大4-8ghz频段的信号，噪声温度大约3k。以此衡量，噪声光子数约为10，因此使用商用放大器最大可以获得的信噪比大约为1。最好的量子参数放大器可以达到标准量子极限的噪声水平，也就是n＝0.5。通常，n在0.5-2之内波动。因此，使用量子参数放大器可以使得系统的信噪比有5-20倍左右的提升。尽管量子参数放大器通过大幅提高信噪比的方式，解决了从如此微弱的量子比特读取信号中提取出有效的量子态信息的问题，但是却带来了新的问题。现有量子参量放大器基于非线性混频原理工作，为了有效的将量子比特读取信号进行放大，使得量子参量放大器工作在最佳模式需要额外施加频率与待放大信号频率或者其倍频接近的泵浦信号，例如对应施加的泵浦信号接近待放大信号对应的是四波混频工作模式，施加的泵浦信号接近两倍的待放大信号频率对应的是三波混频工作模式。现有的量子参量放大器工作过程中，输入待放大信号fs和泵浦信号fp，待放大信号fs在泵浦信号fp的作用下放大，输出待放大信号，同时基于非线性混频原理，输出信号中还包括各种闲频信号fi，待放大信号fs、泵浦信号fp以及闲频信号fi之间将满足公式：mfs+nfi＝lfp，其中：m、n和l均为整数，m、n和l取不同数值时，得到不同的闲频信号fi。现有的量子参量放大器在工作时，泵浦信号频率必须选取放大信号频率的倍频，才能获取最佳的放大效果，例如当量子参量放大器处于四波混频工作模式时，即泵浦信号fp频率选取接近待放大信号fs的频率，闲频信号中的fp、2fp-fs、2fs-fp因为接近待放大信号fs而影响待放大信号的获取；当量子参量放大器处于三波混频工作模式时，即泵浦信号fp频率选取接近2倍待放大信号fs的频率，闲频信号中的1/2fp、fp-fs因为接近待放大信号fs而影响待放大信号的获取。具体的，参见图1和图2，本发明实施例一提供了一种量子参量放大器，所述量子参量放大器包括依次连接的用于组成振荡放大电路的电容模块100、反射式微波谐振腔200和可调电感的超导量子干涉装置300，所述可调电感的超导量子干涉装置300装置远离所述反射式微波谐振腔200的一端接地；且可通过调节所述可调电感的超导量子干涉装置300的电感使得所述反射式微波谐振腔200的谐振频率等于待放大信号的频率，其中：所述待放大信号从所述电容模块100处耦合进入所述振荡放大电路，所述振荡放大电路在泵浦信号的作用下放大所述待放大信号，并产生若干种闲频信号，需要说明的是，根据非线性混频原理，上述提到的每一种所述闲频信号均满足如下公式：mfs+nfi＝lfp其中：m、n、l为整数，fs为待放大信号频率、fp为泵浦信号频率、fi为闲频信号频率，当待放大信号fs和泵浦信号fp确定时，m、n和l取不同的数值，将得到各种闲频信号fi。其中，所述电容模块100用于将待放大信号耦合进入反射式微波谐振腔200中，需要说明的是，通常微波谐振腔必须与外电路连接组成微波系统才能工作，必须由外电路中的微波信号激励在腔中建立振荡，而腔中的振荡又必须通过耦合才能输出到外界负载上，通常采用电容模块与微波谐振腔建立耦合，本实施例中电容模块100可选用交指电容、分布式电容或者平行式电容，本发明对于电容模块100的具体形式不做限制。需要说明的是，振荡放大电路是信号放大领域常用的结构，是许多电子设备的关键部件，振荡放大电路通常表现形式为lc振荡电路，包括互相连接的电容和电感，它既可用于产生特定频率的信号，也用于从更复杂的信号中分离出特定频率的信号。在量子计算领域，为了得到量子芯片的运算结果，我们需要对量子芯片输出的信号即量子比特读取信号进行采集和分析，通常量子比特读取信号非常微弱，需要进行信号放大，由于量子比特读取信号属于高频信号，其波长很短，而由于集总的lc振荡电路使用的电容电感器件结构尺寸较大、以及lc振荡电路的能量是弥散分布在周围空间中，耗散速度非常快，因此我们必须使用应用于量子领域的量子参量放大器。通常，量子参量放大器包括依次连接的电容、微波谐振腔、超导量子干涉仪以及用于调制超导量子干涉仪的磁通偏置调节电路，超导量子干涉仪远离谐振腔的一端接地，其基本原理如下：利用超导量子干涉仪中产生的交流电形成电感，与电容构成lc振荡电路，从而在微波谐振腔中构建一个单模光场，此时微弱的待放大信号和泵浦信号共同进入器件中，在微波谐振腔中待放大信号被放大，同时整个过程都处于超导状态，几乎没有耗散。其中：需要说明的是，所述超导量子干涉仪是由若干约瑟夫森结并联构成的闭环装置，其中：约瑟夫森结一般由两块超导体夹以某种很薄的势垒层而构成，例如s(超导体)-i(半导体或绝缘体)-s(超导体)结构，简称sis，在sis中，超导电子可以从其中一个超导体一侧隧穿过半导体或者绝缘体到达另一侧的超导体，或称约瑟夫森效应，产生的电流称为约瑟夫森电流，将多个约瑟夫森结连接在一起形成闭环装置时就构成了约瑟夫森干涉仪，或称超导量子干涉仪。所述量子参量放大器还包括电压调制电路400；所述电压调制电路400设置在所述可调电感的超导量子干涉装置300靠近所述反射式微波谐振腔200一端；所述可调电感的超导量子干涉仪装置300可在所述电压调制电路300提供的偏置电压的作用下将所述振荡放大电路中产生的其中一种闲频信号释放。需要说明的是，当在超导量子干涉仪两端施加电压偏置时，通过约瑟夫森结的电流是一个交变的振荡超导电流，振荡频率(或称约瑟夫森频率)将与该偏置电压成正比，这使得约瑟夫森结具有辐射或吸收电磁波的能力，其满足如下关系式：2ev＝hf其中：h为普朗克常数。由于由若干约瑟夫森结并联构成的超导量子干涉仪装置具有吸收电磁波的能力，当在所述可调电感的超导量子干涉仪装置300上施加电压偏置时，约瑟夫森结上的电流库伯对将吸收微波信号的能量隧穿约瑟夫森结接地流出，当选择合适的电压偏置时，使得关系式2ev＝hf中f等于振荡放大电路产生的其中一种闲频信号的频率，振荡放大电路中产生的该闲频信号将被完全吸收，表现为所述闲频信号被释放。需要说明的是，本发明的工作流程如下，通过调节所述可调电感的超导量子干涉仪300的电感，使得所述反射式微波谐振腔200的工作谐振频率与待放大信号的频率一致，从而使得待放大信号在所述反射式微波谐振腔200内谐振放大效果最好，将待放大信号和泵浦信号耦合进所述反射式微波谐振腔200中，待放大信号将在泵浦信号的作用下进行放大，需要说明的是输出信号中不仅包括放大信号，还包括泵浦信号、半频泵浦信号、倍频泵浦信号以及各种闲频信号，此时施加合适的电压偏置时，使得满足关系式2ev＝hf，其中f等于某一种闲频信号的频率，所述振荡放大电路中产生的该闲频信号将被完全吸收，表现为所述闲频信号被释放。需要说明的是，本发明量子参量放大器在工作之前，需设计各种参数，包括选择电压偏置大小以及泵浦信号的频率，本发明的最终目的之一是使得输出的无关信号中均不会对待放大信号造成干扰，也即使得它们能够被滤波器拆分，这里提供一种具体示例，当待放大信号频率为4ghz时，首先可以设计其中一种闲频信号为2ghz，通过关系式2ev＝hf计算得出电压偏置，再根据公式mfs+nfi＝lfp计算得出其中一种可能的泵浦信号频率，例如，取m、n、l均为1时，选取泵浦信号频率为6ghz，此时，再根据公式mfs+nfi＝lfp考虑其他可能的闲频信号时，可以证明，当m，n和l取不同数值时，得到的闲频信号fi均不会对待放大信号fs造成干扰。下表给出了当待放大信号频率为4ghz、泵浦信号频率为6ghz时，产生的与待放大信号fs频率最为接近的8种闲频信号fi。表1：8种闲频信号fim1111-1-1-1-1l11-1-111-1-1n1-11-11-11-1fi2ghz10ghz-10ghz-2ghz-2ghz10ghz-10ghz2ghz由上表可知，产生的与待放大信号fs频率最为接近的8种闲频信号fi均与待放大信号fs保持一定距离，那么产生的其他闲频信号fi也不会对待放大信号fs造成干扰。传统的量子参量放大器还存在另一个问题，实际量子芯片工作时，我们需要同时读出大量的量子比特信号，每个量子比特的量子态信息由一个独立的信号携带传出，其频率与其他量子比特的量子态信息携带信号的频率不一样。同时读取多个量子比特意味着，同时有多个携带有信息的待放大信号，需要经过量子参数放大器。它们其中每一个信号在得到放大效果的同时，都会产生大量的无关信号，并且其中至少有一个无关信号与自身待放大的信号接近。除此之外，某个待放大信号产生的无关信号，很可能额外地与另一个待放大信号的频率接近。具体的，例如：输入传统的量子参量放大器的待放大信号fs的频率分别为6.4ghz和6.58ghz(相距0.18ghz，滤波器可拆分)，传统的量子参量放大器泵浦信号fp的频率可设计为6.5ghz，对应为四波混频工作模式，那么根据公式mfs+nfi＝lfp，6.4ghz的放大信号fs的其中一个闲频信号fi为6.6ghz，将会影响到6.58ghz信号(相距0.02ghz，很难拆分)。而当采用本发明的量子参量放大器，通过设计一个闲频信号，例如4ghz，根据4ghz的信号以及6.4ghz的放大信号fs设计泵浦信号fp为5.2ghz和偏置电压，可以得知，根据该5.2ghz的泵浦信号fp分别与6.4ghz和6.58ghz的放大信号fs信号混频作用，得到的所有闲频信号fi均与6.4ghz和6.58ghz的放大信号fs保持可拆分的距离。进一步的，所述可调电感的超导量子干涉装置300包括互感耦合连接的超导量子干涉仪310和磁通调制电路320，具体可以参见图2；所述超导量子干涉仪310为由若干约瑟夫森结并联构成的闭环装置；所述磁通调制电路320用于通过调节所述闭环装置的磁通量进而调节所述超导量子干涉仪310的电感。所述磁通调制电路320包括依次连接的磁通调制线和用于产生偏置电流的电流装置；其中：所述磁通调制线用于传输所述偏置电流，并使所述偏置电流与所述超导量子干涉仪310互感耦合。需要说明的是，所述用于产生偏置电流的电流装置可以是电流源、抑或是依次连接的可以提供所述偏置电流的电压源与电阻，本发明对于电流源的具体形式不加限制。进一步的，所述反射式微波谐振腔200为长度为待放大信号波长四分之一的共面波导微波谐振腔，采用长度为待放大信号波长的四分之一的共面波导微波谐振腔，由于四分之一波长共面波导微波谐振腔的电场最强处位于靠近电容模块100的一端，电场最弱处位于靠近所述超导量子干涉装置300的一端，输出信号将从靠近信号耦合最强处即靠近所述电容模块100的一端输出，而由于所述电压调制电路400连接在所述反射式微波谐振腔200的电场最弱处，电压调制电路400输出的直流电压偏置对所述反射式微波谐振腔200中的微波信号几乎不产生影响。需要说明的是，在微波领域，共面波导是制备在介质层表面的三条平行的金属薄膜导带层，其中位于中心的导带层用于传输微波信号，两侧的导带层均连接到地平面，与一般电路最大的区别是，共面波导是一种分布式电路元件，其电容/电感/导抗/阻抗均匀地沿着共面波导信号传播方向分布，共面波导传播的是tem波，沿着信号传播方向，波导的阻抗处处相等，因而不存在信号反射，信号能够几乎无损地通过；此外，共面波导没有截止频率，而常见的集总式电路均存在截止频率。对于一段均匀的共面波导来说，绝大部分频段的微波信号都能畅通无阻地传输，因而又叫传输线，即共面波导传输线。当设计的共面波导传输线具有一定长度，并在共面波导传输线的两端分别构建一个电容节点，微波信号遇到节点后反射，在这段传输线中形成谐振。优选的，用于传输所述偏置电流的所述磁通调制线也可使用共面波导传输线。进一步的，参见图3，由于放大后的待放大信号将从反射式微波谐振腔200的靠近电容模块100的一侧经由所述电容模块100输出，为了将输入的待放大信号和输出信号进行隔离，所述量子参量放大器还包括环形器500，所述环形器500设置在所述电容模块100远离所述反射式微波谐振腔200的一端。更进一步的，参见图3，为了滤除输出信号中除了放大信号以外的无关信号，在所述环形器500的信号输出端还设置有滤波器600，其中，无关信号主要指的是泵浦信号、半频泵浦信号、倍频泵浦信号、以及各种闲频信号。需要说明的是，现有量子参量放大器，只有当泵浦信号频率等于待放大信号频率的整数倍时，才能实现最大放大效果。对应的三波混频工作模式下，泵浦信号频率等于待放大信号频率。四波混频工作模式下，泵浦信号频率等于两倍的待放大信号频率。三波混频工作模式下，输出信号中的泵浦信号与放大信号不好区分。而四波混频工作模式下，输出信号中的半频泵浦信号与放大信号不好区分。采用本发明一种量子参量放大器，量子参量放大器的工作模式调节不再仅仅受制于泵浦信号，而是通过电压调制电路和泵浦信号一起调节，当选择合适的偏置电压和泵浦信号时，可以使得量子参量放大器中产生的每一种无关信号均可以与待放大信号在频谱上保持可被滤波器拆分的距离，进而可以采用后级滤波器方便的消除这些无关信号，提高量子参量放大器对量子比特读取信号的读取保真度。以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，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，均应在本发明的保护范围内。当前第1页12