阻抗匹配电路、测试装置、及量子计算机的制作方法

1.本技术属于量子领域，特别涉及一种阻抗匹配电路、测试装置、及量子计算机。


背景技术：

2.量子处理器为运行量子计算的核心部件，量子处理器上集成有多个量子位，例如半导体量子处理器上的自旋量子比特。其中，采用直流信号对自旋量子比特进行操控，并采用射频信号对自旋量子比特进行测量，测量时通常采用射频反射读取技术。具体的，射频反射读取技术为施加射频测量信号至半导体量子处理器，采集半导体量子处理器输出的反馈信号进行解调处理获得测量结果。
3.射频源输出的射频测量信号通过测试线路传输至半导体量子处理器时，如果半导体量子处理器的阻抗，与射频源和测试线路的阻抗相同时，由射频源产生的射频测量信号将被半导体量子处理器完全吸收，射频测量信号的电压反射系数为0，射频测量信号的电压反射系数的变化较大，对自旋量子比特的测量灵敏度最高。如果半导体量子处理器的阻抗与测试线路以及射频源的阻抗不匹配时，传输到半导体量子处理器处的射频测量信号会发生反射，使得射频测量信号的电压反射系数的变化很小，直接影响对半导体量子处理器上自旋量子比特的测量灵敏度。
4.具体的，半导体量子处理器通常采用引线键合的方式与测试线路连接，其中，引线、半导体量子处理器中的二维电子气、欧姆接触电极等均会影响半导体量子处理器的阻抗，因此更换待测量的半导体量子处理器其阻抗会有变化，而且在测量环境的影响下，测试线路的阻抗也会产生微小变化，这些阻抗的变化会使得半导体量子处理器的阻抗与射频源和测试线路的阻抗不匹配，直接影响对半导体量子处理器上自旋量子比特的测量灵敏度。
5.因此，如何提高半导体量子处理器、测试线路、以及信号源之间的阻抗匹配度成为半导体量子处理器测量领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.本技术的目的是提供一种阻抗匹配电路、测试装置、及量子计算机，弥补了现有技术半导体量子处理器、测试线路、以及信号源之间的阻抗匹配度差的缺点，使得阻抗匹配始终处于最佳状态，进而提高对半导体量子处理器上集成的自旋量子比特的测量灵敏度。
7.本技术技术方案具体如下：
8.本技术的一方面提供了一种阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路用于半导体量子处理器的测试线路，包括通过第一端连接的第一电阻、第一电感以及第一电容调节单元；
9.所述第一电感的第二端用于接收测量信号并输出测量反馈信号，所述测量反馈信号为半导体量子处理器基于所述测量信号输出的反馈信号；
10.所述第一电容调节单元的第二端用于接收第一直流信号，所述第一直流信号调节用于调节所述第一电容调节单元的电容值；
11.所述第一电阻的第二端接地，所述第一电阻为所述半导体量子处理器的等效电
阻。
12.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，所述第一电容调节单元包括第一电容、第二电容、以及第三电容；
13.所述第一电容的第一端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电容的第二端接地；
14.所述第二电容的第一端连接所述第一电感的第一端，所述第二电容的第二端用于接收所述第一直流信号；
15.所述第三电容的第一端连接所述第二电容的第二端，所述第三电容的第二端接地；
16.其中，所述第一电容为所述半导体量子处理器及栅极引线的等效电容，所述第一直流信号用于调节所述第三电容的电容值。
17.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，所述第一电容调节单元还包括第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述第三电容的第一端，所述第二电阻的第二端用于接收所述第一直流信号。
18.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，还包括第一滤波单元，所述第一滤波单元的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述第一滤波单元的第二端用于接收所述第一直流信号。
19.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，所述第一滤波单元包括第三电阻和第四电容；
20.所述第三电阻的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述第三电阻的第二端用于接收所述第一直流信号；
21.所述第四电容的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述第四电容的第二端接地。
22.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，还包括信号合成单元，所述信号合成单元的第一端连接所述第一电感的第二端，所述信号合成单元的第二端用于接收直流驱动信号，所述信号合成单元的第三端用于接收所述测量信号或输出所述测量反馈信号。
23.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，所述信号合成单元包括第四电阻、第五电容和第六电容；
24.所述第四电阻的第一端连接所述第一电感的第二端，所述第四电阻的第二端用于接收测量信号；
25.所述第五电容的第一端连接所述第四电阻的第二端，所述第五电容的第二端接地；
26.所述第六电容的第一端连接所述第一电感的第二端，所述第六电容的第二端用于接收所述测量信号或输出所述测量反馈信号。
27.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，还包括第二电容调节单元，所述第二电容调节单元的第一端连接所述信号合成单元的第三端，所述第二电容调节单元的第二端用于接收所述测量信号或输出所述测量反馈信号。
28.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，所述第二电容调节单元包括第七电容和第八电容；
29.所述第七电容的第一端连接所述信号合成单元的第三端，所述第七电容的第二端
用于接收所述测量信号或输出所述测量反馈信号；
30.所述第八电容的第一端连接所述信号合成单元的第三端，所述第八电容的第二端接地；
31.所述第八电容的第一端还用于接收第二直流信号，所述第二直流信号用于调节所述第八电容的电容值。
32.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，所述第二电容调节单元还包括第五电阻，所述第五电阻的第一端连接所述第八电容的第一端，所述第五电阻的第二端用于接收所述第二直流信号。
33.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，还包括第二滤波单元，所述第二滤波单元的第一端连接所述第五电阻的第二端，所述第二滤波单元的第二端用于接收所述第二直流信号。
34.如上所述的阻抗匹配电路，优选的，所述第二滤波单元包括第六电阻和第九电容；
35.所述第六电阻的第一端连接所述第五电阻的第二端，所述第六电阻的第二端用于接收所述第二直流信号；
36.所述第九电容的第一端连接所述第五电阻的第二端，所述第九电容的第二端接地。
37.本技术再一方面提供一种半导体量子处理器的测试装置，包括一pcb板，所述pcb板上集成有任一项上述的阻抗匹配电路。
38.本技术再一方面提供一种量子计算机，包括依次连接的半导体量子处理器、上述的测试装置、及测量仪器。
39.与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：
40.本技术的阻抗匹配电路用于半导体量子处理器的测试线路，包括第一电阻、第一电感以及第一电容调节单元；所述第一电感的第二端用于接收测量信号并输出测量反馈信号，所述第一电阻的第二端接地，所述第一电阻为所述半导体量子处理器的等效电阻；所述第一电容调节单元的第二端用于接收第一直流信号，所述第一直流信号调节用于调节所述第一电容调节单元的电容值。通过第一电阻、第一电感以及第一电容调节单元构成lcr谐振电路，第一电阻表征半导体量子处理器的等效电阻，第一电感的参数固定，第一电容调节单元的电容值可以通过第一直流信号进行调节。可以想象的是，当对不同半导体量子处理器进行测试时，半导体量子处理器的阻抗会发生变化，通过对应的第一电阻表征半导体量子处理器的阻抗变化，并通过第一直流信号对第一电容调节单元的电容值进行调节，使得lcr谐振电路的阻抗匹配始终处于最佳状态，提高对半导体量子处理器上自旋量子比特的测量灵敏度。
附图说明
41.图1为本技术实施例提供的一种阻抗匹配电路的电路元件示意图；
42.图2为本技术实施例提供的一种第一电容调节单元的组成元件示意图1；
43.图3为本技术实施例提供的一种第一电容调节单元的组成元件示意图2；
44.图4为本技术实施例提供的一种包括第一滤波单元的阻抗匹配电路的示意图；
45.图5为本技术实施例提供的一种第一滤波单元的电路元件示意图；
46.图6为本技术实施例提供的一种包括信号合成单元的阻抗匹配电路的示意图；
47.图7为本技术实施例提供的一种信号合成单元的电路元件示意图；
48.图8为本技术实施例提供的一种包括第二电容调节单元的阻抗匹配电路的示意图；
49.图9为本技术实施例提供的一种第二电容调节单元的电路元件示意图1；
50.图10为本技术实施例提供的一种第二电容调节单元的电路元件示意图2；
51.图11为本技术实施例提供的一种包括第二滤波单元的阻抗匹配电路的示意图；
52.图12为本技术实施例提供的一种第二滤波单元的电路元件示意图；
53.图13为本技术实施例提供的一种量子计算机的组成结构示意图。
54.附图标记说明：
55.1－第一电阻，2－第一电感，3－第一电容调节单元，4－射频源，5－直流源，6－第一滤波单元，7－信号合成单元，8－第二电容调节单元，9－第二滤波单元，
56.31－第一电容，32－第二电容，33－第三电容，34－第二电阻，61－第三电阻，62－第四电容，71－第四电阻，72－第五电容，73－第六电容，81－第七电容，82－第八电容，83－第五电阻，91－第六电阻，92－第九电容。
具体实施方式
57.以下详细描述仅是说明性的，并不旨在限制实施例和/或实施例的应用或使用。此外，无意受到前面的“背景技术”或“发明内容”部分或“具体实施方式”部分中呈现的任何明示或暗示信息的约束。
58.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，现在参考附图描述一个或多个实施例，其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
59.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
60.射频反射读取技术(radio-frequency reflectometry，rf)是自旋量子比特读取方式的主流和关键性技术。rf测量技术是利用等效的阻抗变压器(lcr)电路结构，建立起半导体量子处理器的测量点与测量线路之间的阻抗匹配网络，通过实时的测量反馈信号，从而实时地得测量点处的信号变化，实现对半导体量子处理器的测量。
61.射频电路的电磁波在传播过程中，如果负载的阻抗，与射频源和传输线路的阻抗相同时，由射频源产生的射频信号功率将被负载完全吸收。例如：阻抗50ω的射频源产生的射频信号，经过阻抗50ω的同轴线传输，功率完全的被阻抗50ω的负载吸收。当阻抗不匹配
时，传输到负载处的信号会反射回射频源，其电压反射系数可以表示为γ＝(z
load-z0)/(z
load
+z0)，其中z
load
为负载端的阻抗，z0为与负载相连的射频源及传输线路的特征阻抗，当z
load
约等于z0时，射频信号被完全的吸收，此时电压反射系数|γ|＝0，由于在|γ|＝0附近，量子点(即自旋量子比特)接触电阻的改变可导致电压反射系数的明显改变。所以，通常将量子点接触的工作位置，调节到比较接近于阻抗匹配的位置，获得最大的反射式探测灵敏度。
62.在rf射频反射式读取技术中，半导体量子处理器通常采用引线键合的方式与测试线路连接，其中，引线、半导体量子处理器中的二维电子气、欧姆接触电极均会产生寄生电容效应。除了电路参数的温度依赖性所导致的较小精度浮动之外，由于不同半导体量子处理器之间的性质微小差异，会导致一定的等效寄生电容变化，等效寄生电容的差异，极大地影响了最佳阻抗匹配工作点的位置，从而导致电压反射系数明显偏离|γ|＝0附近，也进而降低了半导体量子处理器信号探测的灵敏度。
63.在本实施例中，提出一种用于半导体量子处理器的测试线路的阻抗匹配电路，通过调节测试线路的阻抗匹配使得电压反射系数|γ|＝0，从而可以将lcr谐振电路的工作点位置，实时地原位调节到阻抗匹配度最佳的状态，即射频反射探测灵敏度最大的位置，使得对半导体量子处理器的测量灵敏度始终可以达到最佳的状态。如附图1所示，本技术实施例提供一种阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路用于半导体量子处理器的测试线路，包括通过第一端连接的第一电阻1、第一电感2以及第一电容调节单元3；所述第一电感2的第二端用于接收测量信号并输出测量反馈信号，所述测量反馈信号为半导体量子处理器基于所述测量信号输出的反馈信号；所述第一电容调节单元3的第二端用于接收第一直流信号，所述第一直流信号调节用于调节所述第一电容调节单元3的电容值；所述第一电阻1的第二端接地，所述第一电阻1为所述半导体量子处理器的等效电阻。
64.具体的，第一电容调节单元3的电容值通过直流源5施加的第一直流信号进行调节，射频源4输出用于对半导体量子处理器进行测量的测量信号，测量信号经过阻抗匹配电路的匹配后传输至半导体量子处理器，阻抗匹配电路的阻抗匹配度直接影响电压反射系数，进而影响对半导体量子处理器的测量灵敏度。通过第一电阻1、第一电感2以及第一电容调节单元3构成lcr谐振电路，第一电阻1表征半导体量子处理器的等效电阻，第一电感2的参数固定，第一电容调节单元3的电容值可以通过第一直流信号进行调节。lcr谐振电路的阻抗为：
[0065][0066][0067]
其中，l为第一电感2的电感值，c为第一电容调节单元3的电容值，r为第一电阻1的阻值。可以想象的是，当对不同半导体量子处理器进行测试时，半导体量子处理器的阻抗会发生变化，通过对应的第一电阻1表征半导体量子处理器的阻抗变化，并通过第一直流信号对第一电容调节单元3的电容值进行调节，使得lcr谐振电路的阻抗匹配始终处于最佳状态，提高对半导体量子处理器上自旋量子比特的测量灵敏度。
[0068]
如附图2所示，作为本技术实施例的一种实施方式，所述第一电容调节单元3包括第一电容31、第二电容32、以及第三电容33；所述第一电容31的第一端连接所述第一电阻1的第一端，所述第一电容31的第二端接地；所述第二电容32的第一端连接所述第一电感2的第一端，所述第二电容32的第二端用于接收所述第一直流信号；所述第三电容33的第一端连接所述第二电容32的第二端，所述第三电容33的第二端接地；其中，所述第一电容31为所述半导体量子处理器及栅极引线的等效电容，所述第一直流信号用于调节所述第三电容33的电容值。
[0069]
具体的，半导体量子处理器通常采用引线键合的方式与测试线路连接，其中，引线、半导体量子处理器中的二维电子气、欧姆接触电极等均会产生寄生电容，用第一电容31表征寄生电容。通过直流源5输出的第一直流信号对第三电容33的电容值进行调节，第三电容33优选电压可控的变容二极管。此外，设置第二电容32对直流源5输出的第一直流信号进行隔直，避免第一直流信号传输至半导体量子处理器。
[0070]
其中，第一电容调节单元3的电容值c＝c1+c
3，
c1为第一电容31的容值，c3为第三电容33的容值。对于阻抗匹配电路而言，lcr谐振电路的阻抗为：
[0071][0072][0073]
通过第一直流信号调节c
3，
实现对第一电容调节单元3的电容值的调节，进而实现对lcr谐振电路的阻抗匹配的调节，将谐振电路的工作点调节到阻抗匹配的最佳位置，避免更换待测量的半导体量子处理器或环境因素影响射频源4与半导体量子处理器之间的阻抗匹配度。
[0074]
如附图3所示，作为本技术实施例的一种实施方式，所述第一电容调节单元3还包括第二电阻34，所述第二电阻34的第一端连接所述第三电容33的第一端，所述第二电阻34的第二端用于接收所述第一直流信号。在直流源5加载第一直流信号的线路中设置第二电阻34，用于隔绝测量信号传输至直流源5引起测量信号的泄漏和损耗。
[0075]
如附图4和附图5所示，作为本技术实施例的一种实施方式，所述阻抗匹配电路还包括第一滤波单元6，所述第一滤波单元6的第一端连接所述第二电阻34的第二端，所述第一滤波单元6的第二端用于接收所述第一直流信号。具体的，所述第一滤波单元6包括第三电阻61和第四电容62；所述第三电阻61的第一端连接所述第二电阻34的第二端，所述第三电阻61的第二端用于接收所述第一直流信号；所述第四电容62连接所述第二电阻34的第二端，所述第四电容62的第二端接地。采用第三电阻61和第四电容62构建rc滤波电路连接直流源5，用于对直流源5输出的第一直流信号的噪声进行抑制，避免噪声信号影响对自旋量子比特的操控和测量保真度。
[0076]
如附图6所示，作为本技术实施例的一种实施方式，所述阻抗匹配电路还包括信号合成单元7，所述信号合成单元7的第一端连接所述第一电感2的第二端，所述信号合成单元7的第二端用于接收直流驱动信号，所述信号合成单元7的第三端用于接收测量信号或输出测量反馈信号。半导体量子处理器上的自旋量子比特也称之为量子点，是由若干个直流驱
[0085]
当c8的容值远大于c1+c3的容值时，
[0086][0087]
通过第一直流信号调节c3，和/或通过第二直流信号调节c8均可以实现对整个电路的阻抗匹配的调节，进而实现对lcr谐振电路的阻抗匹配的调节，将谐振电路的工作点调节到阻抗匹配的最佳位置，避免更换待测量的半导体量子处理器或环境因素影响阻抗匹配的效果。
[0088]
如附图10所示，作为本技术实施例的一种实施方式，所述第二电容调节单元8还包括第五电阻83，所述第五电阻83的第一端连接所述第八电容82的第一端，所述第五电阻83的第二端用于接收所述第二直流信号。在直流源5加载第二直流信号的线路中设置第五电阻83，用于隔绝测量信号传输至直流源5引起测量信号的泄漏和损耗。
[0089]
如附图11和附图12所示，作为本技术实施例的一种实施方式，所述阻抗匹配电路还包括第二滤波单元9，所述第二滤波单元9的第一端连接所述第五电阻83的第二端，所述第二滤波单元9的第二端用于接收所述第二直流信号。具体的，所述第二滤波单元9包括第六电阻91和第九电容92；所述第六电阻91的第一端连接所述第五电阻83的第二端，所述第六电阻91的第二端用于接收所述第二直流信号；所述第九电容92连接所述第五电阻83的第二端，所述第九电容92的第二端接地。采用第六电阻91和第九电容92构建rc滤波电路连接直流源5，用于对直流源5输出的第二直流信号的噪声进行抑制，避免噪声信号影响对自旋量子比特的操控和测量保真度。
[0090]
基于同一申请构思，本技术实施例还提供一种半导体量子处理器的测试装置，包括一pcb板，所述pcb板上集成有如任一项上述的阻抗匹配电路。在pcb板上集成阻抗匹配电路，并将阻抗匹配电路的两端分别与半导体量子处理器和信号源连接，通过对阻抗匹配电路中可变电容的电压进行调节匹配，将阻抗匹配电路的工作点调节到阻抗匹配的最佳位置，使得信号源与半导体量子处理器之间的阻抗匹配度高，提高对半导体量子处理器的测试灵敏度。
[0091]
如附图13所示，基于同一申请构思，本技术实施例一种量子计算机，包括依次连接的半导体量子处理器、如上述的测试装置、及测量仪器。其中，测试装置用于输出直流驱动信号和射频测量信号至半导体量子处理器，对自选量子比特进行驱动和测量，并由测量仪器接收半导体量子处理器反射的测量反馈信号，对测量反馈信号进行解析处理获得测量结果。
[0092]
以上依据图式所示的实施例详细说明了本技术的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本技术的较佳实施例，但本技术不以图面所示限定实施范围，凡是依照本技术的构想所作的改变，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，均应在本技术的保护范围内。