基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)傳輸子量子比特系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明提出了一種基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)傳輸子量子比特系統(tǒng)，并給出了 測量該可調(diào)傳輸子量子比特能譜的基本方法，涉及量子比特測量和極微弱信號檢測等領 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 量子計算是目前的科學研究的熱點，而超導量子計算作為量子計算實現(xiàn)的方案之 一，具有制備工藝與半導體相兼容、可擴展性等優(yōu)點，引起國際上廣泛關(guān)注。
[0003] 超導量子比特作為實現(xiàn)超導量子計算的基本單位，主要由約瑟夫森結(jié)構(gòu)成，根據(jù) 量子態(tài)的不同表現(xiàn)形式主要可分為三種基本類型：電荷量子比特、磁通量子比特和相位量 子比特。2007年Yale小組提出了傳輸子量子比特的概念。2011年Yale小組又將傳輸子 量子比特置于三維諧振腔中，這種基于三維諧振腔的3D傳輸子，其退相干時間長（通常都 在幾十個微秒），引起廣泛關(guān)注。
[0004] 通常的傳輸子量子比特由單個約瑟夫森結(jié)構(gòu)成，由于系統(tǒng)的約瑟夫森能E1和電荷 能E e固定，其躍迀頻率不可原位調(diào)節(jié)。由于樣品制備中的不可控因素，很難嚴格控制樣品 的EjP E c，因此由單個約瑟夫森結(jié)構(gòu)成的傳輸子量子比特，很難實現(xiàn)多個量子比特之間的 耦合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：
[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于無氧銅矩形諧振腔的可 調(diào)傳輸子量子比特系統(tǒng)以及測量基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)傳輸子量子比特能譜的方 法，用直流超導量子干涉器件（dc-SQUID)作為可調(diào)傳輸子量子比特核心結(jié)構(gòu)，替換通常的 傳輸子量子比特中的單個約瑟夫森結(jié)，無氧銅矩形諧振腔裝配有超導線圈，通過外加磁場 偏置實現(xiàn)傳輸子量子比特躍迀頻率的原位可調(diào)，同時通過低溫磁屏蔽筒屏蔽外部環(huán)境磁場 的干擾。
[0007] 技術(shù)方案：
[0008] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的第一種技術(shù)方案是一種基于無氧銅矩形諧 振腔的可調(diào)傳輸子量子比特系統(tǒng)，用直流超導量子干涉器件（dc-SQUID)作為可調(diào)傳輸子 量子比特核心結(jié)構(gòu)，替換通常的傳輸子量子比特中的單個約瑟夫森結(jié)，無氧銅矩形諧振腔 裝配有超導線圈，通過外加磁場偏置實現(xiàn)傳輸子量子比特躍迀頻率的可調(diào)，同時通過低溫 磁屏蔽筒屏蔽外部環(huán)境磁場的干擾。
[0009] dc-SQUID是兩個相同的高純鋁超導約瑟夫森結(jié)并聯(lián)構(gòu)成的環(huán)路，環(huán)路兩端連接兩 個矩形的鋁電極，形成偶極子天線。
[0010] 矩形諧振腔由兩個TUO型號（銅純度>99. 99%)無氧銅半腔構(gòu)成，其中第一無氧 銅半腔上通過螺釘連接兩個射頻SM接頭，兩個射頻SM接頭探針長度不同，較短的第一射 頻SM接頭作為信號輸入端，較長的第二射頻SM接頭作為信號輸出端；第二無氧銅半腔上 裝配有超導線圈，超導線圈由單股NbTi低溫超導線材繞制在TUO無氧銅的工字形基座，工 字形基座通過螺釘固定在矩形諧振腔的半腔頂部圓柱凹槽內(nèi)，第二無氧銅半腔側(cè)壁上固定 有第三射頻SMA接頭。
[0011] NbTi低溫超導線的第一端焊接所述工字形基座上，第二端焊接在第三射頻SMA接 頭上。
[0012] 無氧銅矩形諧振腔的兩個無氧銅半腔內(nèi)腔壁經(jīng)過鏡面拋光處理。兩個無氧銅半腔 是通過4個螺釘機械結(jié)合的，其中結(jié)合面有銦絲密封，并有定位栓孔。
[0013] 本發(fā)明提供的第二種技術(shù)方案為一種測量基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)傳輸子 量子比特能譜的方法，包括以下步驟：
[0014] (i)利用矢量網(wǎng)絡分析儀，測量無氧銅矩形諧振腔修飾態(tài)隨磁場偏置變化的曲 線；
[0015] (ii)通過公式擬合所述步驟（i)測量到的矩形諧振腔修飾態(tài)隨磁場偏置變化的 曲線，同時得到可調(diào)傳輸子量子比特躍迀頻率隨磁場偏置變化的曲線；
[0016] (iii)根據(jù)所述步驟（ii)得到的可調(diào)傳輸子量子比特躍迀頻率隨磁場偏置變化 的曲線，選擇所述曲線近似線性變化區(qū)域的某一磁場偏置區(qū)間，測量多個磁場偏置點的可 調(diào)傳輸子量子比特的一維頻譜，得到對應躍迀頻率的準確值；
[0017] (iv)根據(jù)所述步驟（iii)的結(jié)果，修正可調(diào)傳輸子量子比特躍迀頻率隨磁場偏置 變化的曲線，使得修正后的可調(diào)傳輸子量子比特躍迀頻率隨磁場偏置變化的曲線大致經(jīng)過 所述步驟（iii)各磁場偏置點對應的躍迀頻率；
[0018] (V)在某一磁場偏置區(qū)間，根據(jù)所述步驟（iv)修正后的可調(diào)傳輸子量子比特躍迀 頻率隨磁場偏置變化的曲線，改變每一磁場偏置下對應的掃描頻率起始點，但固定每一磁 場偏置點下掃描頻率點數(shù)，掃描整個磁場偏置區(qū)間的可調(diào)傳輸子量子比特能譜。
[0019] 其中步驟（ii)中的擬合公式具有如下形式
[0020] 其
中a, b, c和g為待定參數(shù)，a為電壓頻率轉(zhuǎn)換系 數(shù)，b為修飾態(tài)隨磁場偏置變化曲線的周期，V為磁場偏置電壓，c為磁場偏置電壓初始偏移 量，f。為矩形諧振腔的諧振頻率，f M為可調(diào)傳輸子量子比特躍迀頻率，f drasMd為矩形諧振腔 修飾態(tài)的頻率，g為耦合強度。
[0021] 有益效果：
[0022] 本發(fā)明提供了一種基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)傳輸子量子比特系統(tǒng)，實現(xiàn)了躍 迀頻率可調(diào)的傳輸子量子比特，對多量子比特耦合研究和量子調(diào)控有重要意義。同時，本發(fā) 明還提供了一種測量基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)傳輸子量子比特能譜的方法，可以大大 減少表征可調(diào)傳輸子量子比特能譜的所需時間和復雜度，同時對表征其他可調(diào)量子比特的 能譜有重要參考價值。
【附圖說明】
[0023] 圖1基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)傳輸子量子比特系統(tǒng)示意圖；
[0024] 圖2可調(diào)傳輸子量子比特結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3無氧銅矩形諧振腔第一無氧銅半腔結(jié)構(gòu)連接示意圖（俯視圖）；
[0026] 圖4無氧銅矩形諧振腔第一無氧銅半腔結(jié)構(gòu)連接示意圖（側(cè)視圖）；
[0027] 圖5無氧銅矩形諧振腔第二無氧銅半腔結(jié)構(gòu)連接示意圖（俯視圖）；
[0028] 圖6無氧銅矩形諧振腔第二無氧銅半腔結(jié)構(gòu)連接示意圖（側(cè)視圖）；
[0029] 圖7超導線圈示意圖；
[0030] 圖8無氧銅矩形諧振腔室溫下測量的S21參數(shù)（空腔）曲線圖；
[0031] 圖9測量基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)傳輸子量子比特能譜的基本方法中步驟 (i)(ii)的曲線圖；
[0032] 圖10測量基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)傳輸子量子比特能譜的能譜圖。
【具體實施方式】
[0033] 本發(fā)明利用直流超導量子干涉器件（dc-SQUID)作為可調(diào)傳輸子量子比特核心結(jié) 構(gòu)，替換通常的傳輸子量子比特中的單個約瑟夫森結(jié)，無氧銅矩形諧振腔裝配有超導線圈， 通過外加磁場偏置實現(xiàn)傳輸子量子比特躍迀頻率的可調(diào)，同時通過低溫磁屏蔽筒屏蔽外部 環(huán)境磁場的干擾。
[0034] 下面結(jié)合圖例具體闡述實施方式：
[0035] 如圖1所示，基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)傳輸子量子比特系統(tǒng)主要包括：可調(diào) 傳輸子量子比特1、裝配有超導線圈的無氧銅矩形諧振腔2和屏蔽外部環(huán)境磁場的磁屏蔽 筒3。其中可調(diào)傳輸子量子比特1置于無氧銅矩形諧振腔2內(nèi)腔體的中心位置，以實現(xiàn)最大 程度的電磁場親合。由于dc-SQUID極易受外部環(huán)境磁場干擾，必須使用低溫磁屏蔽筒3,以 屏蔽外部環(huán)境磁場。
[0036] 如圖2所示，可調(diào)傳輸子量子比特1由中心的直流超導量子干涉器件 (dc-SQUID) 11和兩邊的矩形電極偶極子天線13構(gòu)成。dc-SQUIDll是由兩個相同的高純鋁 超導約瑟夫森結(jié)12并聯(lián)構(gòu)成的環(huán)路。兩個超導約瑟夫森結(jié)并聯(lián)的等效約瑟夫森能球隨外 加磁通Φ3調(diào)制，且
其中Φ。為磁通量子。而對于傳輸子量子比特而言， 其基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)躍迀頻率滿足
，其中EjP E ε分別為該系統(tǒng)的約瑟 夫森能和電荷能，h為普朗克常數(shù)。
[0037] 因而，對于由dc-SQUID構(gòu)成的傳輸子量子比特，其躍迀頻率&也將隨外加磁通 Φ aijl 制
[0038]
[0039] dc-SQUID兩邊的矩形鋁電極構(gòu)成偶極子天線13,能夠與矩形諧振腔中的電磁場 進行耦合。
[0040] 矩形諧振腔為了提高腔本身的品質(zhì)因數(shù)Q，通常采用超導材料如高純鋁或6061T6 鋁合金作為腔體材料，實現(xiàn)低導體損耗。然而超導體具有完全抗磁性，磁場不能穿透，因而 不適用可調(diào)傳輸子量子比特。所以我們采用高純度的TUO型號（銅純度>99. 99%)無氧銅 作為矩形諧振腔的腔體材料：可以外加磁場偏置和保證良好的熱傳導性。
[0041] 裝配有超導線圈的無氧銅矩形諧振腔設計具體如下圖3~6所示：
[0042] 圖3和圖4給出了無氧銅矩形諧振腔第一無氧銅半腔21結(jié)構(gòu)連接示意圖，可調(diào)傳 輸子量子比特1置于樣品槽的中心位置，以實現(xiàn)最大程度的電磁場耦合。第一無氧銅半腔 21的結(jié)合面，我們設計了一個矩形槽214,方便我們填充銦絲密封。我們將第一射頻SMA接 頭41和第二射頻SM接頭42用螺釘水平固定在第一無氧銅半腔21側(cè)面，并銑出對應尺寸 的矩形槽212,保證射頻SM接頭探針處于耦合孔的中心位置。兩個射頻SM接頭探針長度 不同，較短的第一射頻SM接頭41作為信號輸入端，較長的第二射頻SM接頭42作為信號 輸出端；
[0043] 圖5和圖6給出了無氧銅矩形諧振腔第二無氧銅半腔22結(jié)構(gòu)連接示意圖，第二無 氧銅半腔22頂部有圓柱形