微波电路的信号连接器的制作方法

文档序号:25543746发布日期:2021-06-18 20:40
微波电路的信号连接器的制作方法

本发明总体上涉及一种用于信号连接器的设备,电路设计方法和电路构造系统。更具体地,本发明涉及用于在低温温度范围内操作的微波电路的信号连接器的设备,方法和系统。



背景技术:

在下文中,除非在使用时明确区分,否则短语中的“q”前缀指示该词或短语在量子计算上下文中的引用。

分子和亚原子粒子遵循量子力学定律,这是物理学的一个分支,探索物理世界如何在最基本的层级上工作。在此级别上,粒子以奇异的方式运行,同时处于多个状态,并且与其他很远的粒子进行交互。量子计算利用这些量子现象来处理信息。

我们今天使用的计算机被称为经典计算机(在本文中也称为“常规”计算机或常规节点或“cn”)。常规计算机使用采用半导体材料和技术制造的常规处理器,半导体存储器以及磁或固态存储设备,这就是所谓的冯·诺依曼体系结构。特别地,常规计算机中的处理器是二进制处理器,即,对以1和0表示的二进制数据进行操作。

量子处理器(q-处理器)使用纠缠的量子位器件(在本文中简称为“量子位”,多个“量子位”)的奇异性质来执行计算任务。在量子力学运行的特定领域中,物质粒子可以以多种状态存在-例如“开”状态,“关”状态以及“开”和“关”状态同时存在。在使用半导体处理器进行的二进制计算仅限于仅使用开和关状态(在二进制代码中等于1和0)的情况下,量子处理器利用这些物质的量子状态来输出可用于数据计算的信号。

常规计算机以位为单位对信息进行编码。每个位可以取值为1或0。这些1和0充当开/关的开关,最终驱动计算机功能。另一方面,量子计算机是基于量子位的,量子位是根据量子物理学的两个关键原理进行操作的:叠加和纠缠。叠加意味着每个量子位可以同时表示1和0。纠缠是指叠加中的量子位可以以非经典的方式相互关联;也就是说,一个的状态(无论是1还是0或两者都可以)取决于另一个的状态,纠缠在一起的两个量子位比它们被单独对待时有更多的信息可以确定。

使用这两个原理,量子位用作更复杂的信息处理器,使量子计算机能够以允许它们解决使用传统计算机难以解决的难题的方式运行。ibm已成功构建并演示了使用超导量子位的量子处理器的可操作性(ibm是internationalbusinessmachinescorporation在美国和其他国家/地区的注册商标)。

超导量子位包括约瑟夫森结。约瑟夫森结是通过用非超导材料分隔两个薄膜超导金属层而形成的。当超导层中的金属变得超导时-例如通过将金属温度降低到指定的低温温度,电子对可以从一个超导层通过非超导层隧穿到另一超导层。在一个量子位中,作为分散非线性电感器的约瑟夫森结与一个或多个构成非线性微波振荡器的电容性器件并联电耦合。振荡器的谐振/跃迁频率由量子位电路中的电感和电容值确定。除非明确区分,否则对术语“量子位”的任何引用都是对采用约瑟夫森结的超导量子位电路的引用。

由量子位处理的信息以微波频率范围内的微波信号/光子的形式被携带或传输。微波信号被捕获,处理和分析,以解密其中编码的量子信息。读出电路是与量子位耦合以捕获,读取和测量量子位的量子状态的电路。读出电路的输出是可由q-处理器用于执行计算的信息。

超导量子位具有两个量子态--|0>和|1>。这两个状态可以是原子的两个能量状态,例如,超导人造原子(超导量子位)的基态(|g>)和第一激发态(|e>)。其他示例包括核或电子自旋的上自旋和下自旋,晶体缺陷的两个位置以及量子点的两个状态。由于系统具有量子性质,因此这两种状态的任何组合都是允许的和有效的。

为了使使用量子位的量子计算可靠,量子电路(q-电路),例如量子位本身,与量子位相关联的读出电路以及量子处理器的其他部分,不得改变量子位的能量状态,例如通过以任何显着方式注入或耗散能量或影响量子位的|0>和|1>状态之间的相对相位。在使用量子信息进行操作的任何电路上的这种操作约束都需要在制造用于此类电路的半导体和超导结构时进行特殊考虑。

当前可用的超导量子电路是使用在超低温下(例如,在约10-100毫开尔文(mk)或约4k)下超导的材料形成的。用于控制,操作和测量量子电路的电子电路通常位于容纳超导量子电路的稀释冰箱的外部。冰箱外的温度通常约为300k(室温)。

当前可用的超导量子电路通常在微波频率范围内操作。微波信号/脉冲用于初始化,操纵,控制和测量超导q-电路中的超导量子位。为了在冰箱外部的外部电子电路与冰箱内部的超导量子电路之间传递这些微波信号,稀释冰箱内部使用了微波传输线。同轴线是可以携带这些微波信号的传输线的一个示例。

当前可用的稀释冰箱是低温设备,可用于将样品/设备冷却至毫开尔文的温度。但是,冰箱内部从室温到毫开尔文的温度的转变并不是突然或骤然的。为了促进温度转变和冷却操作,稀释冰箱由保持在不同环境温度下的多个热隔离阶段(stage)(在本文中简称为“阶段”,多个“阶段”)组成。例如,普通的商用稀释冰箱在冰箱内部有5个温度阶段,分别为40k,4k,0.7k,0.1k,0.01k(也称为基本阶段)。为了简化讨论,我们在下面集中讨论冰箱内部的输入线。

由隔热材料形成的过渡板将稀释冰箱的阶段分开。为了保持冰箱内部不同阶段之间的温差,通常的做法是使用有损耗的传输线在两个连续的阶段之间进行连接。说明性实施例认识到,每个量子位在每个稀释冰箱的阶段中都需要至少一条相应的传输线,以便测量相应量子位的状态。通常,过渡板具有多种用途:它们在阶段之间提供热隔离,为两个连续阶段之间的传输线提供视线(los)端口的连接点。los端口是在过渡板上形成的端口,可用于相邻稀释冰箱阶段中传输线之间的连接。当前可用的los端口通常是过渡版中的七厘米乘七厘米的正方形端口或直径为七厘米的端口。当前可用的过渡板具有多达9个los端口,每个端口允许50-300个传输线连接。

高密度接口提供连接点或引脚的网格阵列,配置为接收大量传输线。例如,单个高密度接口可以配置为接收至少十条传输线。高密度接口提供屏蔽,以防止相邻线路之间的串扰。

说明性实施例认识到在los端口处可用商用信号连接器瓶颈。例如,在大多数情况下,传输线通过los端口从一个稀释冰箱阶段过渡到下一稀释冰箱阶段。说明性实施例认识到los端口的大小和数量限制了可用于传输线连接的空间。

随着量子位的数量增加,传输线的数量也因此增加,因此,los端口的数量和大小也必须增加,以适应相邻稀释冰箱阶段之间的信号连接。说明性实施例认识到稀释冰箱的尺寸限制了los端口的数量和尺寸。但是,增加稀释冰箱的尺寸会增加材料和能源成本。相反,在过渡板上的相同可用区域和布置中容纳更多数量的los端口会导致间距减小,从而增加相邻线路之间的串扰。需要使用当前可用的los尺寸和过渡板尺寸来增加每个los端口处的传输线连接数量。



技术实现要素:

本发明的实施例提供了一种用于构造信号连接器电路的信号连接器设备,电路设计方法和系统。在一个实施例中,一种设备包括在第一稀释冰箱阶段中的第一高密度接口,第一高密度接口被配置为接收第一组传输线。在本发明的一个实施例中,一种设备包括在第二稀释冰箱阶段中的第二高密度接口,第二高密度接口被配置为接收第二组传输线。在本发明的一个实施例中,一种设备包括印刷电路板,印刷电路板被配置为在第一稀释冰箱阶段和第二稀释冰箱阶段之间传送微波信号,第一高密度接口和第二高密度接口耦合到印刷电路板。

设备可以包括第二印刷电路板,第二印刷电路板被配置为在第一稀释冰箱阶段和第二稀释冰箱阶段之间传送微波信号。第二印刷电路板可以耦合到印刷电路板。

印刷电路板可以进一步包括被配置为承载微波信号的一组通孔,该组通孔的长度约为对应的微波信号波长的十分之一。可以将通孔配置为在第一高密度接口和第二高密度接口之间承载微波信号。

设备可以包括一组接地通孔,每个接地通孔在印刷电路板上与每个信号通孔间隔开相应微波信号波长的大约长度。第一组传输线可以是二十条传输线。

印刷电路板可以包括交替的介电层和导电层。印刷电路板可以被配置为设置在稀释冰箱的视线端口中。

本发明的实施例包括一种用于制造设备的制造方法。

本发明的实施例包括一种用于制造设备的制造系统。

附图说明

本发明特征的新颖特征在所附权利要求中提出。然而,结合附图阅读以下说明性实施例的详细说明,将最好地理解本发明本身及其优选的使用方式,其他目的和优点,其中:

图1描绘了根据本发明实施例的用于量子计算设备的输入线调节的示例配置的框图;

图2描绘了根据本发明的实施例的信号连接器的一个示例配置的剖视图。

图3描绘了根据本发明实施例的信号连接器的示例配置的示例印刷电路板;

图4描绘了根据本发明实施例的信号连接器的示例配置的示例印刷电路板;和

图5描绘了根据本发明的实施例的信号连接器的示例配置。

具体实施方式

本发明的实施例总体上处理并解决了跨稀释阶段连接信号线的上述需求。本发明的实施例提供了用于微波电路的信号连接器,解决了上述需求或问题。

在此描述的关于频率或多个频率发生的操作应该被解释为关于该频率或该多个频率的信号发生的操作。除非明确区别使用,否则所有对“信号”的引用均是对微波信号的引用。

本发明的实施例提供了一种用于微波电路的信号连接器的配置。本发明的另一个实施例提供了一种用于信号连接器的设计/构造方法,使得该方法可以被实现为软件应用。可以将实现设计/构造方法实施例的应用程序配置为与现有的电路制造系统(例如电路组装系统)结合使用。

为了描述的清楚,并且不意味着对其进行任何限制,使用一些示例配置来描述本发明的实施例。根据该公开,本领域普通技术人员将能够想到用于实现所描述目的的所描述的配置的许多变化,改编和修改,并且在本发明的范围内可以想到这些变化,改编和修改。

此外,在图中使用示例稀释冰箱阶段,传输线,连接器和其他电路组件的简化图。在实际电路中,在不脱离本发明的范围的情况下,可以存在未在本文中示出或描述的附加结构或组件,或与所示出的结构或组件不同,但具有与本文所述类似的功能的其他结构或组件。

此外,仅作为示例相对于特定的实际或假设的组件描述了本发明的实施例。本文描述的步骤可以适于使用各种组件来制造电路,组件可以旨在或重新旨在在用于微波电路的信号连接器内提供所描述的功能,并且这样的适应被认为在本发明的范围内。

仅作为示例,关于某些类型的材料,电特性,步骤,尺寸,布置,数量,频率,电路,组件和应用描述了本发明的实施例。这些和其他类似伪像的任何特定表现形式都不旨在限制本发明。在本发明的范围内,可以选择这些和其他类似伪像的任何合适的表现形式。

本公开中的示例仅用于描述的清楚,并不限制本发明。本文列出的任何优点仅是示例,而无意于限制本发明。通过本发明的特定实施例可以实现附加或不同的优点。此外,本发明的特定说明性实施例可以具有一些,全部或没有上面列出的优点。

参考图1,配置100包括一组一个或多个稀释冰箱阶段102、104,…106。输入线108将外部电路连接到量子电路110。线路108将微波信号承载到量子电路110,信号将在一个或多个稀释冰箱阶段之间传输。

过渡板112、114将相邻的稀释冰箱阶段分离。例如,过渡板112将阶段102、104分开。过渡板112被配置为使阶段102和阶段104热隔离。过渡板112包括穿过其中形成的至少一个los端口。过渡板114将阶段104、106分开。过渡板114被配置为使阶段104和阶段106热隔离。过渡板114包括穿过其中形成的至少一个los端口。

本发明的一个实施例配置了具有一些但不是全部的过渡板112、114的信号连接器。如图1所示,本发明的另一个实施例用每个过渡板112、114构造一个信号连接器。例如,信号连接器116被配置为与阶段102、104之间的过渡板112一起操作。信号连接器116在阶段102、104之间传输信号。信号连接器118配置为与阶段104、106之间的过渡板114一起操作。信号连接器116在阶段104、106之间传输信号。

参考图2,信号连接器200的一种示例配置包括高密度接口202和印刷电路板(pcb)204。传输线206连接到高密度接口202。传输线206承载微波信号s1,s2,…sn,这些信号将在一个或多个稀释冰箱阶段之间传输。高密度接口202是标准的微波连接器。高密度接口202安装在pcb204上。通孔208耦合到pcb204的中心导体210。通孔208在高密度接口202和pcb的中心导体之间承载微波信号s1,s2,…,sn。根据本发明的一个实施例,一种电路组装系统在同一芯片或pcb上形成并连接部件。

参考图3,pcb300由表面层302之间的交替导体层304和介电层306形成。导体层304可以包括在77k至0.01k的低温温度范围内表现出导电特性的材料。导体层304可以包括在77k至0.01k的低温温度范围内表现出超导特性的材料。通孔308可以延伸穿过至少一个导体层和至少一个介电层。通孔308连接到pcb的中心导体并携带微波信号。通孔308的高度小于相应微波信号波长的十分之一。中央通孔310沿着pcb的所有层建立相同的电势。pcb300可以被配置为在信号通孔308之间表现出低串扰(低于阈值)。例如,pcb可以配置为在相邻信号过孔308之间表现出少于五十分贝的串扰。

参考图4,pcb402包括信号通孔404,连接器焊盘406、408和接地通孔410。信号通孔404在连接器焊盘406、408之间承载微波信号。信号通孔404延伸的高度小于所携带的微波信号波长的十分之一。接地通孔410保持pcb的电势。焊盘406将传输线从高密度接口连接到信号过孔404。

参考图5,信号连接器500的示例配置包括第一组传输线508,第二组传输线510,高密度接口512、514和pcb516。过渡板502将阶段504、506分开。过渡板502被配置为热隔离阶段504和阶段506。过渡板502包括穿过其中形成的至少一个los端口。

第一组传输线508连接到高密度接口512。第一组传输线508被配置为承载在一个或多个稀释冰箱阶段之间传输的微波信号。第一组传输线508配置为承载在阶段504、506之间跨过过渡板502传输的微波信号。第二组传输线510连接到高密度接口514。第二组传输线510被配置为承载在一个或多个稀释冰箱阶段之间传输的微波信号。第二组传输线510配置为承载在阶段504、506之间跨过过渡板502传输的微波信号。

高密度接口512被配置为接收第一组传输线508。高密度接口514被配置为接收第二组传输线510。高密度接口512耦合到pcb516。高密度接口512设置在第一稀释冰箱阶段504中。高密度接口514耦合到印刷电路板516。高密度接口516设置在第二稀释冰箱阶段506中。pcb516从高密度接口512、514接收微波信号,并配置成在阶段504、506之间传递微波信号。在本发明的实施例中,信号连接器包括一组pcb。例如,第二pcb可以被安装到第一pcb。该组中的每个pcb配置为在相应的高密度接口处接收相应的传输线。

在此参考相关附图描述了本发明的各种实施例。在不脱离本发明范围的情况下,可以设计出本发明的替代实施例。尽管在以下描述和附图中在元件之间阐述了各种连接和位置关系(例如,在上方,下方,相邻等),但是本领域技术人员将认识到,本文所述的许多位置关系是独立于取向的,即使改变了取向,仍然可以维持所描述的功能。除非另有说明,否则这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的,并且本发明并不意图在这方面进行限制。因此,实体的耦合可以指直接或间接耦合,并且实体之间的位置关系可以是直接或间接的位置关系。作为间接位置关系的示例,在本说明书中提到在层“b”上形成层“a”包括其中一个或多个中间层(例如,层“c”)在层“a”和层“b”之间的情况,只要中间层基本上不改变层“a”和层“b”的相关特征和功能。

以下定义和缩写用于解释权利要求和说明书。如本文所用,术语“包括”,“包含”,“具有”或其任何其他变型旨在涵盖非排他式的包括。例如,包括一系列元素的组合物,混合物,过程,方法,物品或设备不一定仅限于那些元素,而是可以包括未明确列出或此类组合物,混合物,过程,方法,物品或设备所固有的其他元素。

另外,术语“说明性”在本文中用于表示“用作示例,实例或说明”。本文中被描述为“说明性”的任何实施例或设计不必被解释为比其他实施例或设计更优选或有利。术语“至少一个”和“一个或多个”应理解为包括大于或等于一的任何整数,即一,二,三,四等。术语“多个”应理解为包括大于或等于二的任何整数,即二,三,四,五等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。。

在说明书中对“一实施例”,“一个实施例”,“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定的特征,结构或特性,但是每个实施例可以包括或可以不包括特定的特征,结构或特征。而且,这样的短语不一定指代相同的实施例。此外,当结合实施例描述特定特征,结构或特性时,可以认为,无论是否明确描述,结合其他实施例来影响这样的特征,结构或特性均在本领域技术人员的知识范围内。

术语“大约”,“基本上”,“大体上”及其变化形式旨在包括与基于提交申请时可用的设备的特定数量的测量相关的误差程度。例如,“约”可以包括给定值的±8%或5%或2%的范围。

为了说明的目的已经给出了对本发明的各种实施例的描述,但是这些描述并不旨在是穷举的或者限于所公开的本发明的实施例。在不脱离所描述的本发明的实施例的范围和精神的情况下,许多修改和变型对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择这里使用的术语是为了最好地解释本发明的实施例的原理,对市场上存在的技术的实际应用或技术上的改进,或者使本领域的其他普通技术人员能够理解这里描述的本发明。

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