基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)Transmon量子比特系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型提出了一種基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)Transmon(傳輸子)量子比 特系統(tǒng)，并給出了測(cè)量該可調(diào)Transmon量子比特能譜的基本方法，涉及量子比特測(cè)量和極 微弱信號(hào)檢測(cè)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 量子計(jì)算是目前的科學(xué)研究的熱點(diǎn)，而超導(dǎo)量子計(jì)算作為量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的方案之 一，具有制備工藝與半導(dǎo)體相兼容、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，引起國(guó)際上廣泛關(guān)注。
[0003] 超導(dǎo)量子比特作為實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子計(jì)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 Transmon量子比特的概念。2011年Yale小組又將Transmon 量子比特置于三維諧振腔中，這種基于三維諧振腔的3D Transmon，其退相干時(shí)間長(zhǎng)(通常 都在幾十個(gè)微秒），引起廣泛關(guān)注。
[0004] 通常的Transmon量子比特由單個(gè)約瑟夫森結(jié)構(gòu)成，由于系統(tǒng)的約瑟夫森能Ej和電 荷能Ec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(yán)格控制樣品 的Ej和Ec，因此由單個(gè)約瑟夫森結(jié)構(gòu)成的Transmon量子比特，很難實(shí)現(xiàn)多個(gè)量子比特之間的 耦合。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 實(shí)用新型目的：
[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種基于無氧銅矩形諧振腔 的可調(diào)Transmon量子比特系統(tǒng)以及測(cè)量基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)Transmon量子比特 能譜的方法，用直流超導(dǎo)量子干涉器件(dc-SQUID)作為可調(diào)Transmon量子比特核心結(jié)構(gòu)， 替換通常的Transmon量子比特中的單個(gè)約瑟夫森結(jié)，無氧銅矩形諧振腔裝配有超導(dǎo)線圈， 通過外加磁場(chǎng)偏置實(shí)現(xiàn)Transmon量子比特躍迀頻率的原位可調(diào)，同時(shí)通過低溫磁屏蔽筒屏 蔽外部環(huán)境磁場(chǎng)的干擾。
[0007] 技術(shù)方案：
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提供的第一種技術(shù)方案是一種基于無氧 銅矩形諧振腔的可調(diào)Transmon量子比特系統(tǒng)，用直流超導(dǎo)量子干涉器件(dc-SQUID)作為可 調(diào)Transmon量子比特核心結(jié)構(gòu)，替換通常的Transmon量子比特中的單個(gè)約瑟夫森結(jié)，無氧 銅矩形諧振腔裝配有超導(dǎo)線圈，通過外加磁場(chǎng)偏置實(shí)現(xiàn)Transmon量子比特躍迀頻率的可 調(diào)，同時(shí)通過低溫磁屏蔽筒屏蔽外部環(huán)境磁場(chǎng)的干擾。
[0009] 一種基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)Transmon量子比特系統(tǒng)，包括：
[0010]可調(diào)Transmon量子比特;裝配有超導(dǎo)線圈的無氧銅矩形諧振腔；用于屏蔽外部環(huán) 境磁場(chǎng)的低溫磁屏蔽筒；
[0011] 其中，所述可調(diào)Transmon量子比特置于無氧銅矩形諧振腔內(nèi)腔體的中心，所述可 調(diào)Transmon量子比特置于低溫磁屏蔽筒內(nèi)。
[0012] dc-SQUID是兩個(gè)相同的高純鋁超導(dǎo)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(gè)矩形的鋁電極，形成偶極子天線。
[0013] 矩形諧振腔由兩個(gè)TU0型號(hào)（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(gè)射頻SMA接頭，兩個(gè)射頻SMA接頭探針長(zhǎng)度不同，較短的第一射頻 SMA接頭作為信號(hào)輸入端，較長(zhǎng)的第二射頻SMA接頭作為信號(hào)輸出端;第二無氧銅半腔上裝 配有超導(dǎo)線圈，超導(dǎo)線圈由單股NbTi低溫超導(dǎo)線材繞制在TU0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。
[0014] NbTi低溫超導(dǎo)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。
[0015]無氧銅矩形諧振腔的兩個(gè)無氧銅半腔內(nèi)腔壁經(jīng)過鏡面拋光處理。兩個(gè)無氧銅半腔 是通過4個(gè)螺釘機(jī)械結(jié)合的，其中結(jié)合面有銦絲密封，并有定位栓孔。
[0016] 本實(shí)用新型提供的第二種技術(shù)方案為一種測(cè)量基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào) Transmon量子比特能譜的方法，包括以下步驟：
[0017] (i)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量無氧銅矩形諧振腔修飾態(tài)隨磁場(chǎng)偏置變化的曲線；
[0018] (ii)通過公式擬合所述步驟(i)測(cè)量到的矩形諧振腔修飾態(tài)隨磁場(chǎng)偏置變化的曲 線，同時(shí)得到可調(diào)Transmon量子比特躍迀頻率隨磁場(chǎng)偏置變化的曲線；
[0019] (ii i)根據(jù)所述步驟（ii)得到的可調(diào)Transmon量子比特躍迀頻率隨磁場(chǎng)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(chǎng)偏置區(qū)間，測(cè)量多個(gè)磁場(chǎng)偏置點(diǎn)的可 調(diào)Transmon量子比特的一維頻譜，得到對(duì)應(yīng)躍迀頻率的準(zhǔn)確值；
[0020] (iv)根據(jù)所述步驟（i i i)的結(jié)果，修正可調(diào)Transmon量子比特躍迀頻率隨磁場(chǎng)偏 置變化的曲線，使得修正后的可調(diào)Transmon量子比特躍迀頻率隨磁場(chǎng)偏置變化的曲線大致 經(jīng)過所述步驟(i i i)各磁場(chǎng)偏置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的躍迀頻率；
[0021 ] (v)在某一磁場(chǎng)偏置區(qū)間，根據(jù)所述步驟（iv)修正后的可調(diào)Transmon量子比特躍 迀頻率隨磁場(chǎng)偏置變化的曲線，改變每一磁場(chǎng)偏置下對(duì)應(yīng)的掃描頻率起始點(diǎn)，但固定每一 磁場(chǎng)偏置點(diǎn)下掃描頻率點(diǎn)數(shù)，掃描整個(gè)磁場(chǎng)偏置區(qū)間的可調(diào)Transmon量子比特能譜。
[0022]其中步驟(ii)中的擬合公式具有如下形式
[0023]
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(chǎng)偏置變化曲線的周期，V為磁場(chǎng)偏置電壓，c為磁場(chǎng)偏置電壓初始偏移 量，fc為矩形諧振腔的諧振頻率，f 01為可調(diào)Transmon量子比特躍迀頻率，fdressed為矩形諧振 腔修飾態(tài)的頻率，g為耦合強(qiáng)度。
[0024] 有益效果：
[0025]本實(shí)用新型提供了一種基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)Transmon量子比特系統(tǒng)，實(shí) 現(xiàn)了躍迀頻率可調(diào)的Transmon量子比特，對(duì)多量子比特耦合研究和量子調(diào)控有重要意義。 同時(shí)，本實(shí)用新型還提供了一種測(cè)量基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)Transmon量子比特能譜 的方法，可以大大減少表征可調(diào)Transmon量子比特能譜的所需時(shí)間和復(fù)雜度，同時(shí)對(duì)表征 其他可調(diào)量子比特的能譜有重要參考價(jià)值。
【附圖說明】
[0026]圖1基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)Transmon量子比特系統(tǒng)示意圖；
[0027] 圖2可調(diào)Transmon量子比特結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 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）；
[0029] 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）；
[0030] 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）；
[0031] 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）；
[0032]圖7超導(dǎo)線圈示意圖；
[0033]圖8無氧銅矩形諧振腔室溫下測(cè)量的S21參數(shù)(空腔）曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本實(shí)用新型利用直流超導(dǎo)量子干涉器件(dc-SQUID)作為可調(diào)Transmon量子比特 核心結(jié)構(gòu)，替換通常的Transmon量子比特中的單個(gè)約瑟夫森結(jié)，無氧銅矩形諧振腔裝配有 超導(dǎo)線圈，通過外加磁場(chǎng)偏置實(shí)現(xiàn)Transmon量子比特躍迀頻率的可調(diào)，同時(shí)通過低溫磁屏 蔽筒屏蔽外部環(huán)境磁場(chǎng)的干擾。
[0035]下面結(jié)合圖例具體闡述實(shí)施方式：
[0036] 如圖1所示，基于無氧銅矩形諧振腔的可調(diào)Transmon量子比特系統(tǒng)主要包括:可調(diào) Transmon量子比特1、裝配有超導(dǎo)線圈的無氧銅矩形諧振腔2和屏蔽外部環(huán)境磁場(chǎng)的磁屏蔽 筒3。其中可調(diào)Transmon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(shí)現(xiàn)最大 程度的電磁場(chǎng)親合。由于dc-SQUID極易受外部環(huán)境磁場(chǎng)干擾，必須使用低溫磁屏蔽筒3,以 屏蔽外部環(huán)境磁場(chǎng)。
[0037] 如圖2所示，可調(diào)Transmon量子比特1由中心的直流超導(dǎo)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(gè)相同的高純鋁超導(dǎo)約瑟夫森 結(jié)12并聯(lián)構(gòu)成的環(huán)路。兩個(gè)超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)并聯(lián)的等效約瑟夫森能隨外加磁通調(diào)制，
，其中Φ〇為磁通量子。而對(duì)于Transmon量子比特而言，其基態(tài)到第一激 發(fā)態(tài)躍迀頻率f Q1滿足
，其中E#PEC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)。
[0038] 因而，對(duì)于由dc-SQUID構(gòu)成的Transmon量子比特，其躍迀頻率f οι也