[發明專利]用NbN動態電感實現緊湊可調型微波諧振器的裝置和方法

在審

• 申請號: 202010101138.6
• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111180848A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 孫國柱;魏興雨;潘佳政;趙清源;吳培亨
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01P7/06
• 分類號: H01P7/06
• 代理公司: 蘇州威世朋知識產權代理事務所(普通合伙) 32235
• 代理人: 秦蕾

本發明公開了用NbN動態電感實現緊湊可調型微波諧振器的裝置和方法，包括：直流源、衰減器、無氧銅腔體、超導線圈、第一級放大器、第二級放大器、矢量網絡分析儀和控制電腦，利用超導狀態下超薄NbN薄膜材料的高動態電感，在微波頻段實現小尺寸的可調諧振器，相比于一般薄膜微波諧振器，其尺寸縮短10?20倍，其可調性反映于將超薄NbN薄膜作為LC諧振電路，諧振器末端連接一個dc?SQUID，外部磁場的變化引起dc?SQUID等效電感的變化，從而改變諧振器總電感，對整個諧振電路的諧振頻率產生調制作用。本發明實現了在低溫下利用超薄NbN薄膜的動態電感實現緊湊型微波諧振器，并通過改變外加磁場大小來調制諧振頻率。

技術領域

本發明屬于超導量子電路集成領域，具體涉及一種用NbN動態電感實現緊湊可調型微波諧振器的裝置和方法。

背景技術

量子計算是目前科學研究的熱點，超導量子電路作為量子計算機的基本元件，其計算能力與電路所搭載的比特數目直接相關。與摩爾定律相比，量子計算機的性能將隨比特數目以指數速度發展。而為了實現更高的計算能力，就意味著比特數目需要不斷增加，這樣整個芯片的面積也會相應的增大，進而影響了量子計算機的實用性，因此其集成度需要得到相應的提高。傳統超導量子比特電路的面積大部分被量子比特讀出電路——即超導諧振器所占據，其面積一般達到整個電路的90％以上。而真正用于計算的量子比特部分只占據極小的一部分面積，這意味著單個量子比特計算單元大小被讀出電路的尺寸所限制。一般的量子比特讀出電路采用較厚的Al或Nb薄膜作為其超導材料，其動態電感相比于幾何電感可忽視，這意味著在相同諧振頻率下，其讀出電路的幾何尺寸相對于高動態電感材料的幾何尺寸較大，一般在微波段(4–8GHz)為10mm左右，這意味著單個量子比特計算單元尺寸較大，芯片集成度難以得到提高。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是利用超薄NbN薄膜的動態電感實現緊湊型微波諧振器，縮小了超導量子電路中讀出電路諧振器的尺寸，同時，利用dc-SQUID(direct current superconducting quantum interference device，直流超導量子干涉器件)實現了在低溫下通過改變磁場大小來實時調控NbN諧振器的諧振頻率。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用的第一種技術方案為一種用NbN動態電感實現緊湊可調型微波諧振器的裝置，包括：

直流源、超導線圈、衰減器、無氧銅腔體、第一級放大器、第二級放大器、矢量網絡分析儀和控制電腦，其中，所述無氧銅腔體和超導線圈處于30mK的低溫下，用于裝載NbN諧振器樣品和提供磁場；所述衰減器和第一級放大器處于稀釋制冷機的低溫環境中，所述直流源、第二級放大器、矢量網絡分析儀和控制電腦都處在室溫環境中；所述直流源用于提供超導線圈產生磁場所需要的電壓，所述超導線圈用于提供NbN諧振器樣品所需要的外加磁場，所述矢量網絡分析儀用于提供微波信號給NbN諧振器樣品作為微波輸入信號，通過衰減器輸入到NbN諧振器樣品中，用于驅動LC諧振電路，所述第一級放大器的輸入端連接到無氧銅腔體的輸出端，在低溫下放大輸出的微波信號，所述第二級放大器的輸入端連接到第一級放大器的輸出端，用于接收第一級放大器的輸出信號，在常溫下做進一步放大，所述矢量網絡分析儀用于測量NbN諧振器樣品的輸入端口到輸出端口的正向傳輸系數S₂₁曲線，并觀測磁場對LC諧振電路諧振頻率的調制作用；所述控制電腦連接到矢量網絡分析儀，用于記錄矢量網絡分析儀測量得到的數據。

進一步的，所述矢量網絡分析儀同時連接衰減器的輸入端和第二級放大器的輸出端。

進一步的，所述直流源連接到超導線圈提供外加磁場。

進一步的，所述第二級放大器的輸出端直接連接到矢量網絡分析儀進行測試。