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CN111180848A - 用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置和方法 - Google Patents

用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置和方法 Download PDF

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CN111180848A CN202010101138.6A CN202010101138A CN111180848A CN 111180848 A CN111180848 A CN 111180848A CN 202010101138 A CN202010101138 A CN 202010101138A CN 111180848 A CN111180848 A CN 111180848A
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Abstract

本发明公开了用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置和方法，包括：直流源、衰减器、无氧铜腔体、超导线圈、第一级放大器、第二级放大器、矢量网络分析仪和控制电脑，利用超导状态下超薄NbN薄膜材料的高动态电感，在微波频段实现小尺寸的可调谐振器，相比于一般薄膜微波谐振器，其尺寸缩短10‑20倍，其可调性反映于将超薄NbN薄膜作为LC谐振电路，谐振器末端连接一个dc‑SQUID，外部磁场的变化引起dc‑SQUID等效电感的变化，从而改变谐振器总电感，对整个谐振电路的谐振频率产生调制作用。本发明实现了在低温下利用超薄NbN薄膜的动态电感实现紧凑型微波谐振器，并通过改变外加磁场大小来调制谐振频率。

Description

用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置和方法
技术领域
本发明属于超导量子电路集成领域，具体涉及一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置和方法。
背景技术
量子计算是目前科学研究的热点，超导量子电路作为量子计算机的基本元件，其计算能力与电路所搭载的比特数目直接相关。与摩尔定律相比，量子计算机的性能将随比特数目以指数速度发展。而为了实现更高的计算能力，就意味着比特数目需要不断增加，这样整个芯片的面积也会相应的增大，进而影响了量子计算机的实用性，因此其集成度需要得到相应的提高。传统超导量子比特电路的面积大部分被量子比特读出电路——即超导谐振器所占据，其面积一般达到整个电路的90％以上。而真正用于计算的量子比特部分只占据极小的一部分面积，这意味着单个量子比特计算单元大小被读出电路的尺寸所限制。一般的量子比特读出电路采用较厚的Al或Nb薄膜作为其超导材料，其动态电感相比于几何电感可忽视，这意味着在相同谐振频率下，其读出电路的几何尺寸相对于高动态电感材料的几何尺寸较大，一般在微波段(4–8GHz)为10mm左右，这意味着单个量子比特计算单元尺寸较大，芯片集成度难以得到提高。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是利用超薄NbN薄膜的动态电感实现紧凑型微波谐振器，缩小了超导量子电路中读出电路谐振器的尺寸，同时，利用dc-SQUID(direct current superconducting quantum interference device，直流超导量子干涉器件)实现了在低温下通过改变磁场大小来实时调控NbN谐振器的谐振频率。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置，包括：
直流源、超导线圈、衰减器、无氧铜腔体、第一级放大器、第二级放大器、矢量网络分析仪和控制电脑，其中，所述无氧铜腔体和超导线圈处于30mK的低温下，用于装载NbN谐振器样品和提供磁场；所述衰减器和第一级放大器处于稀释制冷机的低温环境中，所述直流源、第二级放大器、矢量网络分析仪和控制电脑都处在室温环境中；所述直流源用于提供超导线圈产生磁场所需要的电压，所述超导线圈用于提供NbN谐振器样品所需要的外加磁场，所述矢量网络分析仪用于提供微波信号给NbN谐振器样品作为微波输入信号，通过衰减器输入到NbN谐振器样品中，用于驱动LC谐振电路，所述第一级放大器的输入端连接到无氧铜腔体的输出端，在低温下放大输出的微波信号，所述第二级放大器的输入端连接到第一级放大器的输出端，用于接收第一级放大器的输出信号，在常温下做进一步放大，所述矢量网络分析仪用于测量NbN谐振器样品的输入端口到输出端口的正向传输系数S21曲线，并观测磁场对LC谐振电路谐振频率的调制作用；所述控制电脑连接到矢量网络分析仪，用于记录矢量网络分析仪测量得到的数据。
进一步的，所述矢量网络分析仪同时连接衰减器的输入端和第二级放大器的输出端。
进一步的，所述直流源连接到超导线圈提供外加磁场。
进一步的，所述第二级放大器的输出端直接连接到矢量网络分析仪进行测试。
进一步的，所述无氧铜腔体底座的两侧分别安装一个SMA接头，分别作为输入端和输出端，所述无氧铜腔体的底座安装PCB板，NbN谐振器样品位于所述PCB板的凹槽中；所述SMA接头的第一中心导体与PCB板的第二中心导体用焊锡相连，所述第二中心导体与NbN谐振器样品的共面波导传输线用铝线相连，所述无氧铜腔体的盖子安装线圈架，所述超导线圈绕于线圈架上。
进一步的，所述NbN谐振器样品包括硅基底、NbN膜接地面、阻抗变换线以及LC谐振电路；所述硅基底是整个NbN谐振器样品的载体，所述NbN膜接地面、阻抗变换线和LC谐振电路都制作在硅基底上，所述阻抗变换线位于硅基底的正中间，所述LC谐振电路分布在阻抗变换线的一侧。
更进一步的，所述LC谐振电路包含耦合电容、谐振器中心导体和dc-SQUID；所述谐振器中心导体由超薄NbN薄膜构成；所述耦合电容是谐振器中心导体和阻抗变换线之间的缝隙电容，所述dc-SQUID两端分别连接谐振器中心导体和NbN膜接地面。
本发明提供的第二种技术方案为一种提供一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的方法，包括以下步骤：
(1)将矢量网络分析仪分别连接在衰减器的输入端和第二级放大器的输出端，矢量网络分析仪产生的微波信号经过衰减器、SMA接头输入到装载NbN谐振器样品的无氧铜腔体，经过PCB板的第二中心导体、NbN谐振器样品的阻抗变换线并通过耦合电容耦合进LC谐振电路，然后，在所述无氧铜腔体的输出端得到微波输出信号，并通过第一级放大器、第二级放大器放大，进入到矢量网络分析仪的输入端，能够测量所述NbN谐振器样品的输出端口到输入端口的正向传输系数S21曲线，观测到吸收峰；
(2)从直流源中输出电压，使超导线圈产生所需要的磁场；
(3)当观测到所述步骤(1)所得到的吸收峰频率产生变化，并发现谐振频率随着所述步骤(2)施加电压有周期性变化时，实现了通过调节电压产生磁场调制NbN谐振器频率；
(4)用控制电脑收集直流源的输入电压值和正向传输系数S21曲线数据，能够获得周期性变化的NbN谐振器频率。
有益效果：本发明提供一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置和方法，利用硅基片上的超薄NbN薄膜在超导状态下的高动态电感，可制作小尺寸谐振器，相比于一般的超导谐振电路尺寸缩小10-20倍。如微波同频段(4–8GHz)一般超导谐振电路尺寸为10mm左右，而本发明可达到600μm。同时因dc-SQUID具有电感可调性，可通过调节外加磁场改变dc-SQUID的电感，进而改变整个NbN谐振器的电感，进而改变其谐振频率。这项工作与一般的超导量子谐振电路相比，具有尺寸小、功耗低的优点，使得同尺寸芯片上可搭载的量子读出电路数量得到增加。同时本装置和方法具有可调节性和便捷性，能够实时改变NbN谐振器的频率，对量子电路集成化研究和应用有着重要的意义。
附图说明
图1为用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置结构示意图；
图2为用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的调制效果示意图；
图3(a)为无氧铜腔体的盖子结构示意图；
图3(b)为无氧铜腔体的底座结构示意图；
图4为NbN谐振器样品示意图；
图5(a)为LC谐振电路示意图；
图5(b)为图5(a)的第一张局部放大图；
图5(c)为图5(a)的第二张局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的使用范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置主要包括：直流源101、超导线圈102、衰减器103、无氧铜腔体104、第一级放大器105、第二级放大器106、矢量网络分析仪107和控制电脑108。在测量过程中，所述无氧铜腔体104和超导线圈102处于30mK的低温下，所述衰减器103和第一级放大器105处于稀释制冷机的低温环境中，其余的设备，如直流源101、第二级放大器106、矢量网络分析仪107及控制电脑108处在室温环境中。所述矢量网络分析仪107连接衰减器103的输入端和第二级放大器106的输出端，微波信号输入至衰减器103衰减后进入无氧铜腔体104中，来驱动超导谐振电路。同时调制直流源101的偏置电压给超导线圈102提供电流产生磁场，输出微波信号从无氧铜腔体104中出发经过第一级放大器105和第二级放大器106，所述第二级放大器106的输入端可以连接到第一级放大器105的输出端，用于接收第一级放大器105的输出信号，做进一步放大，输出信号回到矢量网络分析仪107，此时测量超导谐振电路的输出端口到输入端口的正向传输系数S21曲线并观测磁场对谐振频率的调制作用；在测量中，矢量网络分析仪107可以测得随磁场变化的超导谐振电路的三个吸收峰。调制效果如图2所示：横轴表示穿过dc-SQUID的归一化磁通大小，其中Φ表示穿过dc-SQUID的磁通，Φ0为磁通量子；纵轴表示测得的NbN谐振器吸收峰对应的频率。NbN谐振器的频率随外加磁通发生变化，并具有如图2所示的周期性。
如图3(a)和图3(b)所示，本发明的无氧铜腔体104主要用于承载NbN谐振器样品204。无氧铜腔体104的盖子安装线圈架206，用于装载超导线圈102。无氧铜腔体104的底座两侧开有圆孔，目的是在底座两侧安装SMA接头201，并允许SMA接头201的第一中心导体203进入无氧铜腔体104的内部。PCB板205通过螺孔固定在无氧铜腔体104的内部，PCB板205的中心内部凹槽处可放置NbN谐振器样品204，SMA接头201的第一中心导体203与PCB板205的第二中心导体202通过焊锡焊接在一起，同时SMA接头201的第一中心导体203与NbN谐振器样品204的阻抗变换线302通过铝线点焊在一起，使得微波输入信号可以依次通过SMA接头201的第一中心导体203和PCB板205的第二中心导体202进入NbN谐振器样品204上的阻抗变换线302，微波输入信号通过阻抗变换线302可以与阻抗变换线302一侧的LC谐振电路304产生耦合，即将电磁能量传递到LC谐振电路304中产生电磁振荡。
如图4所示，这是本发明的一个基于超薄NbN薄膜的NbN谐振器样品204示意图，所述NbN谐振器样品204为微加工工艺制作的500μm厚硅基，5-10nm厚度NbN薄膜，芯片面积约6*6mm2的谐振器样品，主要包含硅基底303、NbN膜接地面301、阻抗变换线302、LC谐振电路304。由于NbN谐振器样品204的整个制备流程与半导体工艺相兼容，所以采用硅做基底，工艺流程涉及到磁控溅射长膜、匀胶、电子束曝光、显影、RIE刻蚀等微加工工艺。硅基底303是整个NbN谐振器样品204的载体，NbN膜接地面301、阻抗变换线302、LC谐振电路304均制作在硅基底303上，所述阻抗变换线302位于硅基底303的正中间，阻抗变换线302与NbN膜接地面301的材料都是5-10nm厚度的NbN膜，其超导状态下动态电感远超几何电感。其中，阻抗变换线302负责微波信号的输入输出并将实现与LC谐振电路304的阻抗匹配，所以阻抗变换线302与PCB板205的第二中心导体202相连接，并与LC谐振电路304通过耦合电容耦合，NbN膜接地面301与PCB板205的接地面用铝丝点焊在一起。由于在NbN谐振器样品204的阻抗变换线302一侧存在3个LC谐振电路304，所以当微波输入信号从阻抗变换线302进入时，会与阻抗变换线302附近的LC谐振电路304产生耦合，微波能量进入LC谐振电路304，形成电磁振荡，此时使用矢量网络分析仪107可以观测到3个吸收峰(如5.89GHz，6.09GHz，6.29GHz)。
如图5(a)、图5(b)和图5(c)所示，这是本发明的3个LC谐振电路304示意图(含局部放大图)，主要包含耦合电容401，谐振器中心导体402，dc-SQUID 403。其中，耦合电容401起到LC谐振电路304与阻抗变换线302耦合的作用，电容大小约为0.7fF。3个谐振器中心导体402宽度均为1μm，长度分别为621,641和661μm，谐振器中心导体402与NbN膜接地面301之间的缝隙为0.3μm，这样谐振器中心导体402与NbN膜接地面301之间具有单位长度电感和电容，形成一个LC谐振电路；NbN谐振器样品204末端的dc-SQUID 403由超导铝制成，dc-SQUID403的一端与谐振器中心导体402接触，另一端与NbN膜接地面301接触，形成一个非线性电感器件。当有磁场穿过dc-SQUID 403时，会在dc-SQUID 403上产生超导电流,进而影响dc-SQUID403的等效电感，使得LC谐振电路304的总电感改变，进而改变谐振频率。因此我们可以通过在直流源101上施加偏置电压，在超导线圈102内产生磁场来调控LC谐振电路304的谐振频率。
利用磁场实时调制NbN谐振器频率的方法包括如下步骤：
(1)将矢量网络分析仪分别连接在衰减器的输入端和第二级放大器的输出端，即矢量网络分析仪产生的微波信号经过衰减器、SMA接头输入到装载NbN谐振器样品的无氧铜腔体，经过PCB板的第二中心导体、NbN谐振器样品的阻抗变换线并通过电容耦合进LC谐振电路，然后，在所述无氧铜腔体的输出端得到微波输出信号，并通过第一级放大器、第二级放大器放大，进入到矢量网络分析仪的输入端，如此即可测量NbN谐振器样品的输出端口到输入端口的正向传输系数S21曲线；
(2)从直流源中输出电压，使超导线圈产生所需要的磁场；
(3)当观测到所述步骤(1)所得到的吸收峰频率产生变化，并发现谐振频率随着所述步骤(2)施加电压有周期性变化(如图2所示)时，即实现了通过调节电压产生磁场调制NbN谐振器频率；
(4)用控制电脑收集直流源的输入电压值和正向传输系数S21曲线数据，即可获得周期性变化的NbN谐振器频率。

Claims (7)

1.一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置，其特征在于，包括：
直流源(101)、超导线圈(102)、衰减器(103)、无氧铜腔体(104)、第一级放大器(105)、第二级放大器(106)、矢量网络分析仪(107)和控制电脑(108)，其中，所述无氧铜腔体(104)和超导线圈(102)处于30mK的低温下，用于装载NbN谐振器样品(204)和提供磁场；所述衰减器(103)和第一级放大器(105)处于稀释制冷机的低温环境中，所述直流源(101)、第二级放大器(106)、矢量网络分析仪(107)和控制电脑(108)都处在室温环境中；所述直流源(101)用于提供超导线圈(102)产生磁场所需要的电压，所述超导线圈(102)用于提供NbN谐振器样品(204)所需要的外加磁场，所述矢量网络分析仪(107)用于提供微波信号给NbN谐振器样品(204)作为微波输入信号，通过衰减器(103)输入到NbN谐振器样品(204)中，用于驱动LC谐振电路(304)，所述第一级放大器(105)的输入端连接到无氧铜腔体(104)的输出端，在低温段放大输出的微波信号，所述第二级放大器(106)的输入端连接到第一级放大器(105)的输出端，用于接收第一级放大器(105)的输出信号，在常温段做进一步放大，所述矢量网络分析仪(107)用于测量NbN谐振器样品(204)的输入端口到输出端口的正向传输系数S21曲线，并观测磁场对LC谐振电路(304)谐振频率的调制作用；所述控制电脑(108)连接到矢量网络分析仪(107)，用于记录矢量网络分析仪(107)测量得到的数据。
2.根据权利要求1所述的一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置，其特征在于：所述矢量网络分析仪(107)同时连接衰减器(103)的输入端和第二级放大器(106)的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置，其特征在于：所述第二级放大器(106)的输出端直接连接到所述矢量网络分析仪(107)进行测试。
4.根据权利要求1所述的一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置，其特征在于：所述无氧铜腔体(104)的底座两侧分别安装一个SMA接头(201)，分别作为输入端和输出端，所述无氧铜腔体(104)的底座安装PCB板(205)，NbN谐振器样品(204)位于所述PCB板(205)的凹槽中；所述SMA接头(201)的第一中心导体(203)与PCB板(205)的第二中心导体(202)用焊锡相连，所述第二中心导体(202)与NbN谐振器样品(204)的共面波导传输线(302)用铝线相连，所述无氧铜腔体(104)的盖子安装线圈架(206)，所述超导线圈(102)绕于线圈架(206)上。
5.根据权利要求1所述的一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置，其特征在于：所述NbN谐振器样品(204)包括硅基底(303)、NbN膜接地面(301)、阻抗变换线(302)以及LC谐振电路(304)；所述硅基底(303)是整个NbN谐振器样品(204)的载体，所述NbN膜接地面(301)、阻抗变换线(302)和LC谐振电路(304)都制作在硅基底(303)上，所述阻抗变换线(302)位于硅基底(303)的正中间，所述LC谐振电路(304)分布在阻抗变换线(302)的一侧。
6.根据权利要求1所述的一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的装置，其特征在于：所述LC谐振电路(304)包含耦合电容(401)、谐振器中心导体(402)和dc-SQUID(403)；所述谐振器中心导体(402)由5-10纳米厚度的NbN薄膜构成；所述耦合电容(401)是谐振器中心导体(402)和阻抗变换线(302)之间的缝隙电容，所述dc-SQUID(403)两端分别连接谐振器中心导体(402)和NbN膜接地面(301)。
7.一种用NbN动态电感实现紧凑可调型微波谐振器的方法，包括以下步骤：
(1)将矢量网络分析仪分别连接在衰减器的输入端和第二级放大器的输出端，矢量网络分析仪产生的微波信号经过衰减器、SMA接头输入到装载NbN谐振器样品的无氧铜腔体，经过PCB板的第二中心导体、NbN谐振器样品的阻抗变换线并通过耦合电容耦合进LC谐振电路，然后，在所述无氧铜腔体的输出端得到微波输出信号，并通过第一级放大器、第二级放大器放大，进入到矢量网络分析仪的输入端，能够测量所述NbN谐振器样品的输出端口到输入端口的正向传输系数S21曲线，观测到吸收峰；
(2)从直流源中输出电压，使超导线圈产生所需要的磁场；
(3)当观测到所述步骤(1)所得到的吸收峰频率产生变化，并发现谐振频率随着所述步骤(2)施加电压有周期性变化时，实现了通过调节电压产生磁场调制NbN谐振器频率；
(4)用控制电脑收集直流源的输入电压值和正向传输系数S21曲线数据，能够获得周期性变化的NbN谐振器频率。
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