一種基于非對稱環形腔的量子環形器的制作方法
本發明涉及一種微波電路的量子環形器，尤其涉及一種基于非對稱環形腔的量子環形器。
背景技術：
在量子比特操控中，一般使用反射腔作為量子比特操控與讀取的通道，在芯片外界看來，操控信號與反饋信號經過同一個端口。為了消除操控信號與反饋信號的干擾，需要使用微波環形器，將兩路信號隔離開。
傳統的環形器是利用磁場偏置鐵氧體材料各向異性特性工作的，但是其中的磁場過強，會嚴重降低量子比特的相干時間，故只能對環形器做磁屏蔽處理。在對多量子比特芯片實施操控時，需要加多個環形器，使得整個量子芯片的測控系統十分臃腫，并且影響了進一步的集成化。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基于非對稱環形腔的量子環形器。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
本發明的基于非對稱環形腔的量子環形器，包括兩條共面波導傳輸線、一條半波長共面波導透射腔、兩個squid環以及一條用于施加垂直磁場的直流偏置線；
所述squid環與分別與所述半波長共面波導透射腔兩端耦合，所述半波長共面波導透射腔再與所述兩條共面波導傳輸線耦合，構成一個四端口裝置。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的基于非對稱環形腔的量子環形器，能夠在極低溫下工作的極弱磁的環形器，來取代必須實施磁屏蔽措施的傳統環形器，以滿足多量子比特芯片操控的需求。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的基于非對稱環形腔的量子環形器的俯視結構示意圖；
圖2為本發明實施例中的squid環部分的細節圖(圖1中虛線框的放大圖)；
圖3a為本發明實施例中的量子環形器的能級示意圖；
圖3b為本發明實施例中的量子環形器的能級繞行示意圖。
圖中：
介質基片1、量子環形器的地平面2、共面波導傳輸線3、半波長共面波導透射腔4、squid環5、直流偏置線6。
具體實施方式
下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
本發明的基于非對稱環形腔的量子環形器，其較佳的具體實施方式是：
包括兩條共面波導傳輸線、一條半波長共面波導透射腔、一個squid環以及一條用于施加垂直磁場的直流偏置線；
所述squid環與所述半波長共面波導透射腔耦合，所述半波長共面波導透射腔再與所述兩條共面波導傳輸線耦合，構成一個四端口裝置。
所述squid環放在所述半波長共面波導透射腔的端口處。
所述直流偏置線緊靠所述半波長共面波導傳輸線，所述半波長共面波導傳輸線與地平面之間的線寬比遵從50歐姆阻抗匹配原則，比如在硅基片上線寬比為10:6，藍寶石上為10:5。
所述半波長共面波導透射腔形狀為矩形、圓形或者多邊形結構。
該量子環形器的整體尺寸小于5mm×5mm，其電路結構均使用超導材料加工制備，并集成在量子芯片中。
本發明的基于非對稱環形腔的量子環形器，能夠滿足無磁化的多量子比特操作。
本發明的基于非對稱環形腔的環形器(以下簡稱環形器)，由兩條共面波導傳輸線、一條半波長共面波導透射腔、兩個squid以及一條用于施加垂直磁場的直流偏置線組成。環形器通過通用的半導體加工技術制備，整體尺寸小于5mm×5mm。
在本發明中，電路一般使用金屬鈮或者鋁加工，這兩種金屬均是超導材料，保證在這兩種金屬的臨界溫度以下工作時，電路處于超導態，大幅降低電路損耗，并且極大的降低了由環形器引入的附加噪聲。襯底一般采用高阻硅(>10kω·cm)或者藍寶石基片，這兩種材料的介質損耗極低，能夠保證信號經過環形器引起的插入損耗盡可能小。工作時襯底底部需要貼附在金屬熱沉上，確保器件有良好的導熱，能夠正常工作在超導臨界溫度之下。
在本發明中，兩個squid環分別與一條半波長共面波導透射腔的兩個端口耦合，后者(諧振腔)再與兩條共面波導傳輸線耦合，構成一個四端口裝置。與普通的三端口環形器不同，四端口可以等效為兩個3端口環形器的級聯。比如說：信號從1端口進入，通過2端口進入芯片中，芯片反射回的信號從2端口到3端口，3端口輸出到一個約瑟夫森參量放大器中，再返回放大后的信號，從四端口輸出。這樣，原來需要兩個經典環形器實現的過程，可以集成在同一個量子環形器中，大大提高了空間的利用。
在本發明中，和傳統環形器利用磁場偏置鐵氧體材料各向異性特性工作不同，環形器的工作原理主要是依靠中心共面波導透射腔和與其電容耦合的squid環構建的人造v型能級的不同躍遷過程來控制環形器中信號的繞行方向。squid是一種超導量子干涉裝置，由兩個超導約瑟夫森結并聯成環，構成了一個量子比特。兩個squid環的面積稍有不同，使得兩個比特的激發態能級稍有區別，通過脈沖控制兩個比特從基態躍遷到激發態的順序，我們可以控制微波在共面波導透射腔中的繞行方向，進而實現環形器的功能，隔離度i(
在本發明中，squid環放在半波長共面波導透射腔的端口處，由于透射腔的終端都是電壓波腹，幅值最大，可以保證squid和腔的耦合達到最大，最好的調節環形方向。
在本發明中，環形器的工作頻段的調節由squid環完成。由于v型能級的存在，只有以能級躍遷頻率為中心小范圍(這個范圍與透射腔的品質因數有關，由制作工藝等決定，品質因數越大范圍越小)內的微波可以通過諧振腔，所以為了實用性，我們通過加一條直流偏置線的方法來調節工作頻段。直流偏置線的結構是末端直接到接地平面的共面波導，在通上直流電流以后會以偏置線為軸心形成磁場分布，這個磁場遠小于普通磁體產生的磁場。通過調節squid環中的垂直磁場大小能改變其通路臨界電流大小，從而改變其電感的大小，進而改變透射腔的共振頻率，最終完成對濾波器工作頻段在2—10ghz的調節，調節頻段遠大于商用環形器。
在本發明中，這種非對稱量子環形器的制備方法，是在基片上依次進行紫外光刻，顯影，電子束曝光，電子束蒸發鍍膜，剝離等純熟的半導體制作工藝，制備簡單可流程化，并且其占空間小，非常適用于大規模集成化加工。與超導量子芯片相似的制備流程，后期可以考慮集成到量子芯片上一次性加工，使得其與量子芯片的兼容性好。
采用本發明使用的技術方案，完全能滿足量子芯片實驗中信號控制的需要，具體表現在：
本發明利用能級來控制環形器繞行方式的工作原理，大大削弱了環形器的磁場，對超導量子比特的影響減小；
本發明整體尺寸不到5mm×5mm，占空間小，易于大規模集成；
本發明的電路結構均使用超導材料加工制備，大幅降低了電路損耗，并且同時極大降低了環形器的引入噪聲；
本發明通過直流偏置線施加弱磁場，可以大幅調節環形器的工作區間，實現2—10ghz的大范圍工作頻段；
本發明四端口的設計，可以實現信號的級聯，等效于兩個傳統環形器疊加作用的效果，大大提高了空間利用率；
本發明采用通用的半導體加工工藝，后期可以集成在量子芯片中，減小空間占據；
本發明中心半波長共面波導透射腔形狀不僅限于矩形(與兩邊共面波導傳輸線耦合最好)，圓形結構或者多邊形結構均可實現此環形器，推廣性強。
具體實施例：
附圖1為本發明實施例提供的一種基于非對稱環形腔的量子環形器的俯視圖。本發明由以下幾部分組成：介質基片1、環形器的地平面2、共面波導傳輸線3、半波長共面波導透射腔4、squid環5、直流偏置線6。所有的灰色區域為金屬沉積區域，所用的金屬材料是鋁或者鈮，白色區域為沒有金屬的區域，是裸露的襯底。
本發明在設計過程中首先要選定使用的基片(例如：晶向[100]，厚度0.5mm，硅基片，散射正切值2e-7等指標)，在附圖1所示的一種基于非對稱環形腔的量子環形器的俯視圖中，整個結構的尺寸僅有2500um×2000um，所有共面波導結構中央導帶線與共面地平面間距比遵從50歐姆阻抗匹配原則，比如在硅基片上線寬比為10:6，藍寶石上為10:5。
附圖2是對squid放置的細節圖。squid放置在共面波導透射腔的一端，用電子束曝光單獨制作，右側直流偏置線靠透射腔一側的長度覆蓋整個結區。諧振腔兩端口間距考慮比特耦合強度，推薦取5um，可以加大，但不宜超過諧振腔矩形結構邊長的一半。
本發明的加工步驟如下：
在一塊潔凈的基片上，甩上光刻膠，利用紫外光刻技術，寫出環形器除了squid環以外的基本圖案，顯影。
在顯影后的樣品上，使用電子束蒸發沉積100nm厚的鋁，或者使用磁控濺射鍍膜在整個基片表面沉積100nm厚的鈮。
再在樣品上甩一層電子束刻蝕膠，利用eline電子束曝光，得到squid的圖案，顯影。
在顯影后的片子上，利用雙層斜角蒸發技術，使用電子束蒸發得到squid的結構，注意，squid必須要用鋁加工。
使用劃片機切割，完成環形器成品的加工。
附圖3a是依靠中心共面波導透射腔和與其電容耦合的squid環構建的人造v型能級示意圖，通過不同的激勵方式，使得兩個比特被打到激發態的順序不同，進而影響微波信號環形器的繞行方向。附圖3b是繞行示意圖，實線和虛線對應能級圖中的兩條躍遷線路。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
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