超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机的制作方法

本申请属于量子信息领域，尤其是量子计算，特别地，本申请涉及一种超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机。

背景技术：

1、量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。作为量子计算机核心部件的超导量子芯片工作于稀释制冷机的极低温区，通常只有几开甚至几毫开，为了便于对量子芯片上的各个比特进行测量和控制，还需要将在常温区工作的信号测量和控制系统与量子芯片建立通信连接。随着比特数量的增加，建立通信连接的信号通道数量也随之增加。为缓解比特数量剧增带来的布线压力，在信号测量和控制系统至量子芯片的信号传输路径引入了射频开关以便于从信号测量和控制系统引出的一路信号通道可以为量子芯片的多个端口提供信号。

2、目前，常见的射频开关为gaas/ingaas半导体射频开关，但是该开关通常工作温度为-40℃～+85℃，而量子计算通常需工作在4k(-269℃)温区，常规的射频开关在该低温下稳定性的差，容易自激震荡，失效风险较高。

3、目前亟需提出一种可以满足量子计算需求的开关电路。

4、发明创造内容

5、为解决现有的射频开关在低温下工作时稳定性差的问题，本申请提供一种适于在超导量子芯片工作温区进行工作的射频信号开关，以解决现有技术中的不足，具体的，在本申请中提供了一种超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机。

6、本申请的第一个方面提供了一种超导射频开关，它包括：

7、形成于基板上的射频信号传输线，所述射频信号传输线包括输入线、输出线，及一端与所述输入线连接、且另一端与所述输出线连接的超导纳米传输线，所述超导纳米传输线的临界温度为15k以下；以及

8、形成于所述基板上的供电传输线，所述供电传输线用于将所述超导纳米传输线的两端连接直流源；且所述直流源的状态包括：输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流的第一状态，及输出电流低于所述临界电流的第二状态。超导纳米传输线的两端连接直流源，直流源用于提供施加在所述超导纳米传输线上的电流，通过调整直流源所处于的状态是第一状态还是第二状态来调控所述超导纳米传输线的状态在超导状态和失导状态中切换进而实现所述射频信号传输线在传输射频信号时的开和关状态的切换。

9、如上所述的超导射频开关，所述直流源的输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流时，所述超导纳米传输线失超，且失超后，所述超导纳米传输线的阻抗超过预设阻抗以确保所述超导纳米传输线的阻抗失配程度较高，预设阻抗可以为1000ω及大于1000ω的任一值。

10、如上所述的超导射频开关，所述直流源的输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流时，所述超导纳米传输线失超，且失超后，所述超导纳米传输线的隔离度超过预设隔离度以确保实现射频信号开关功能，预设隔离度可以为50db及大于50db的任一值。

11、如上所述的超导射频开关，所述超导纳米传输线的临界电流密度为不超过10ma/cm2。

12、如上所述的超导射频开关，所述超导纳米传输线的材质为包含金属元素和非金属元素的超导化合物，示例性的，所述超导纳米传输线的材质可以为tan或nbn。

13、如上所述的超导射频开关，所述射频信号传输线还包括位于所述输入线和所述超导纳米传输线之间的第一阻抗变换电路，以及位于所述超导纳米传输线和所述输出线之间的第二阻抗变换电路。

14、如上所述的超导射频开关，所述第一阻抗变换电路、所述第二阻抗变换电路均为阻抗变换线。

15、如上所述的超导射频开关，所述阻抗变换线为1/4波长阻抗变换线。

16、如上所述的超导射频开关，所述输入线和所述第一阻抗变换电路之间以及所述输出线和所述第二阻抗变换电路之间通过电容耦合。

17、如上所述的超导射频开关，所述电容为平行板电容。

18、如上所述的超导射频开关，所述平行板电容包括部分所述输入线、部分所述第一阻抗变换电路，以及位于部分所述输入线和部分所述第一阻抗变换电路之间的绝缘介质层。

19、如上所述的超导射频开关，所述供电传输线对射频信号形成全反射。

20、如上所述的超导射频开关，所述供电传输线为非超导的金属，或者为临界转变电流高于所述临界电流的超导材质。

21、本申请的第二个方面提供了一种量子计算集成组件通过在量子芯片与信号测量和控制系统之间设置超导射频开关，将信号测量和控制系统的一个信号通道对应量子芯片的多个端口，可以减少传输线数量。具体的，所述量子计算集成组件包括:

22、量子芯片，所述量子芯片上形成有多个量子比特及信号端口，所述信号端口用于接收针对各所述量子比特的量子态调控信号或量子态读取信号，或用于输出针对所述量子态读取信号的反馈信号；

23、信号测量和控制系统，用于生成针对各所述量子比特的量子态调控信号和量子态读取信号，及采集针对所述量子态读取信号的反馈信号；以及

24、如上所述的超导射频开关，所述输入线通过第一组传输线与所述信号测量和控制系统连接，所述输出线通过第二组传输线与所述量子芯片连接，所述第一组传输线和所述第二组传输线传输的信号类型相同且为所述量子态调控信号、所述量子态读取信号、所述反馈信号中之一，且所述第一组传输线所具有的传输线数量小于所述第二组传输线所具有的传输线数量。

25、如上所述的量子计算集成组件，所述第一组传输线具有1条传输线。

26、本申请的第三个方面提供了一种量子计算机，它包括如上所述的超导射频开关，或包括如上所述的量子计算集成组件。

27、与现有技术相比，本申请提供的超导射频开关适于在低温下实现对射频信号传输通断的控制，它包括在基板上形成的射频信号传输线包括输入线、输出线，及一端与所述输入线连接、且另一端与所述输出线连接的超导纳米传输线，所述超导纳米传输线的临界温度为15k以下；以及，在基板上形成的供电传输线以将该超导纳米传输线接入直流源，所述直流源的状态包括：输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流的第一状态，及输出电流低于所述临界电流的第二状态，因而通过调整直流源的输出电流，即可将该超导纳米传输线上的电流在超过临界电流、低于临界电流两种状态间切换，超导纳米传输线上的电流低于临界电流时，该超导纳米传输线处于超导态，而超导纳米传输线上的电流超过临界电流时，该超导纳米传输线处于非超导态(即电阻态)，进而实现对该超导纳米传输线处于超导态、非超导态的切换，从而实现在低温工作环境下对射频信号传输通断的控制。

技术实现思路

技术特征：

1.一种超导射频开关，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的超导射频开关，其特征在于，所述直流源的输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流时，所述超导纳米传输线的阻抗为1000ω以上。

3.根据权利要求1所述的超导射频开关，其特征在于，所述直流源的输出电流超过所述超导纳米传输线的临界电流时，所述超导纳米传输线的隔离度超过50db。

4.根据权利要求1所述的超导射频开关，其特征在于，所述超导纳米传输线的临界电流密度不超过10ma/cm2。

5.根据权利要求1-4任一项所述的超导射频开关，其特征在于，所述超导纳米传输线的材质为tan或nbn。

6.根据权利要求1所述的超导射频开关，其特征在于，所述射频信号传输线还包括位于所述输入线和所述超导纳米传输线之间的第一阻抗变换电路，以及位于所述超导纳米传输线和所述输出线之间的第二阻抗变换电路。

7.根据权利要求6所述的超导射频开关，其特征在于，所述第一阻抗变换电路、所述第二阻抗变换电路均为阻抗变换线。

8.根据权利要求7所述的超导射频开关，其特征在于，所述阻抗变换线为1/4波长阻抗变换线。

9.根据权利要求6所述的超导射频开关，其特征在于，所述输入线和所述第一阻抗变换电路之间以及所述输出线和所述第二阻抗变换电路之间通过电容耦合。

10.根据权利要求9所述的超导射频开关，其特征在于，所述电容为平行板电容。

11.根据权利要求10所述的超导射频开关，其特征在于，所述平行板电容包括部分所述输入线、部分所述第一阻抗变换电路，以及位于部分所述输入线和部分所述第一阻抗变换电路之间的绝缘介质层。

12.根据权利要求1-4、6-11任一所述的超导射频开关，其特征在于，所述供电传输线对射频信号形成全反射。

13.根据权利要求1-4、6-11任一所述的超导射频开关，其特征在于，所述供电传输线为非超导的金属，或者为临界转变电流高于所述临界电流的超导材质。

14.一种量子计算集成组件，其特征在于，包括:

15.根据权利要求14所述的量子计算集成组件，其特征在于，所述第一组传输线具有1条传输线。

16.一种量子计算机，其特征在于，包括权利要求1-13中任一项所述的超导射频开关，或包括权利要求14-15任一所述的量子计算集成组件。

技术总结
本申请公开了一种超导射频开关、量子计算集成组件及量子计算机，属于量子信息领域，尤其是量子计算技术领域。所述超导射频开关包括：形成于基板上的射频信号传输线，射频信号传输线包括输入线、输出线，及一端与输入线连接、且另一端与输出线连接的超导纳米传输线，超导纳米传输线的临界温度为15K以下；以及形成于基板上的供电传输线，供电传输线用于将超导纳米传输线的两端连接直流源；且直流源的状态包括：输出电流超过超导纳米传输线的临界电流的第一状态，及输出电流低于临界电流的第二状态。本申请的超导射频开关通过直流源提供施加在超导纳米传输线上的电流来调控超导纳米传输线所处于的超导状态、失超状态进而实现信号传输的开和关。

技术研发人员：赵勇杰,杨晖,李业,王小川
受保护的技术使用者：合肥本源量子计算科技有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12