低温微波源、低温微波源芯片及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种低温微波源、低温微波源芯片及其制作方法，该芯片包括衬底以及位于衬底表面上的透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线；透射腔包括SQUID链，用于发射微波光子；偏置结与透射腔电连接，用于产生微波光子；电压偏置线用于为偏置结施加偏置电压，使偏置结中的电子库珀对通过受激发射的方式，转化为微波光子；直流偏置线用于为透射腔施加磁场；其中透射腔的谐振频率由SQUID链的总电容和总电感决定；SQUID链的总电感随磁场大小的变化而变化，磁场的大小随直流偏置线中电流大小的变化而变化。本发明专利技术提供的低温微波源芯片是通过受激发射的方式产生微波光子，保证了发射出去的微波光子的频率、幅值、相位的稳定性，满足了微波源的要求。

Low temperature microwave source and low temperature microwave source chip and manufacturing method thereof

The invention discloses a low temperature microwave source, microwave source chip and a manufacturing method thereof. The chip includes a substrate and a substrate transmission cavity, on the surface of the bias node, bias voltage and DC bias lines, including transmission line; cavity SQUID chain, for the launch of microwave photons; biased junction is connected with the transmission cavity for generating electricity. Microwave photon; bias voltage line for biased junction bias, the bias in the electronic Cooper junction by stimulated emission, into microwave photons; DC bias magnetic field is applied to the transmission line for the cavity; resonant frequency transmission cavity is determined by the total capacitance of the SQUID chain and the total inductance; total inductance SQUID the chain varies with the size of magnetic field, the magnetic field changes the current size with the size of the DC bias and the change in the line. The microwave source chip provided by the present invention generates microwave photons by stimulated emission, ensuring the stability of the frequency, amplitude and phase of the emitted microwave photons, and meeting the requirements of the microwave source.

【技术实现步骤摘要】
低温微波源、低温微波源芯片及其制作方法
本专利技术涉及微波电路元件，更为具体的说，涉及一种低温微波源、低温微波源芯片及其制作方法。
技术介绍
在固态量子计算领域中，只有将量子芯片放置在极低温的环境中，才能充分凸显出量子比特的量子特性，而且还需要抑制环境噪声对量子相干性的影响。但是现有技术中对量子比特进行操控时使用的测量技术，全部是采用经典仪器来进行的，如操控量子比特时所使用的微波源，很难满足当前固态量子芯片操控和量子计算的需求。现有技术中操控量子比特时所使用的微波源，一方面存在噪声大的问题，另一方面，由于是通过室温线路施加的微波源，微波信号从室温到极低温量子芯片之前，还需要进行繁杂的滤波、衰减等优化设计，但往往经过优化后的微波信号仍不能达到固态量子芯片操控和量子计算的需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种低温微波源、低温微波源芯片及其制作方法，该低温微波源芯片的制作工艺与量子芯片的工艺兼容，可直接将该低温微波源芯片集成到量子芯片上，从而可以直接对量子比特进行原位操控，解决了现有技术中微波源的问题。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种低温微波源芯片，包括衬底以及位于衬底表面上的透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线；其中，所述透射腔用于发射微波光子，所述透射腔包括SQUID链，所述SQUID链包括多个SQUID结构，所述多个SQUID结构相互串联；所述偏置结与所述透射腔电连接，用于产生微波光子；所述电压偏置线用于为所述偏置结施加偏置电压，使所述偏置结中的电子库珀对通过受激发射的方式，转化为微波光子；所述直流偏置线用于为所述透射腔施加磁场；其中，所述透射腔的谐振频率由所述SQUID链的总电容和总电感决定；所述SQUID链的总电感随所述磁场大小的变化而变化，所述磁场的大小随所述直流偏置线中电流大小的变化而变化。优选的，所述透射腔的总电感大于所述偏置结的总电感，以使所述电子库珀对在恒压偏置的情况下，通过产生或吸收一个光子，即可隧穿通过所述偏置结。优选的，所述微波光子从所述透射腔中发射出去时的发射速率，小于所述电子库珀对隧穿通过所述偏置结的隧穿速率，以使所述微波光子在发射出去之前，再次被所述电子库珀对吸收，以促进所述电子库珀对的下一次隧穿，以持续产生微波光子。优选的，所述SQUID结构为两个并联的约瑟夫森结构成的环状结构；所述约瑟夫森结包括依次位于所述衬底表面的第一超导层、绝缘层和第二超导层。优选的，所述直流偏置线包括长条状的电极条，所述电极条的长边与所述SQUID链平行设置。优选的，所述衬底表面除所述透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线之外，还包括金属层，所述金属层包围所述透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线，且所述金属层、所述电压偏置线及所述直流偏置线在同一光刻过程中形成；所述透射腔与分别位于其两侧的所述金属层及所述直流偏置线构成共面波导结构；所述直流偏置线与其周围的所述金属层构成共面波导结构。优选的，所述偏置结为约瑟夫森结。优选的，所述偏置结的一端与所述透射腔的输出端直接相连，另一端与所述金属层直接相连。优选的，所述偏置结的形成方向与SQUID链透射腔中约瑟夫森结的形成方向一致，以使所述偏置结与所述SQUID链在同一工艺步骤中形成。优选的，所述偏置结与所述透射腔的输出端的连接方式为：在所述透射腔长边且靠近所述透射腔输出端的位置，延伸出长条形的导电材料作为第一连接线，所述第一连接线与所述偏置结的第一边直接接触；所述偏置结与所述金属层的连接方式为：在所述偏置结的第二边延伸出长条形的导电材料作为第二连接线，在金属层朝向所述偏置结的方向上延伸出长条形的导电材料作为第三连接线，所述第二连接线与所述第三连接线直接相连，且二者的夹角为直角，所述偏置结的第一边与第二边为沿所述透射腔长度方向相对的两个边。优选的，所述第一连接线、所述第二连接线与所述偏置结在同一工艺步骤中形成；所述第三连接线与所述金属层在同一工艺步骤中形成。优选的，所述偏置结与所述透射腔的输出端的连接方式为：在所述透射腔长边且靠近所述透射腔输出端的位置，延伸出长条形的导电材料作为第一连接线，所述第一连接线与所述偏置结的第一边直接接触；所述偏置结与所述金属层的连接方式为：在所述偏置结的第二边延伸出长条形的导电材料作为第四连接线，在金属层朝向所述偏置结的方向上延伸出长条形的导电材料作为第三连接线，在所述第三连接线的尾部朝向所述第四连接线的方向上延伸出的导电材料作为第五连接线，所述第四连接线与所述第五连接线搭接，且所述第三连接线与所述第五连接线的夹角为直角，所述偏置结的第一边与第二边为沿所述透射腔长度方向相对的两个边。优选的，所述第一连接线、所述第四连接线与所述偏置结在同一工艺步骤中形成，所述第三连接线、所述第五连接线与所述金属层在同一工艺步骤中形成。优选的，所述电压偏置线包括电极板，以及环绕所述电极板的电感，所述电感的第一端直接与所述电极板相连，第二端与所述透射腔相连。优选的，所述透射腔为半波长谐振腔，所述透射腔的中心位置为电压波节，所述电感的第二端直接与所述透射腔的中心位置相连。优选的，所述透射腔的输出端与所述金属层间的第一耦合电容C1与所述透射腔的输入端与所述金属层间的第二耦合电容C2之间的关系为C1：C2≥10:1，所述微波光子从所述透射腔的输出端发射的速率Ω正比于C12。优选的，所述透射腔的谐振频率f与所述电压偏置线上施加的恒压U满足关系式mhf＝2eU，其中，m为正整数，h为普朗克常数，e为一个电子的电量；其中，所述透射腔的谐振频率等于所述低温微波源的输出频率。优选的，所述透射腔的总电感L＝L0+nLj/2，所述透射腔的总电容C＝nc+cj，谐振频率其中，Lj为单个约瑟夫森结的电感，L0为所述SQUID链与所述金属层之间的电感，c为单个SQUID结构与所述金属层之间的电容，cj为SQUID链自身的电容，n为所述SQUID链上的SQUID结构的数量。优选的，所述透射腔、所述偏置结、所述电压偏置线、所述直流偏置线和所述金属层的材料均为低温超导材料。优选的，所述金属层、所述电压偏置线、以及所述直流偏置线的材料为铝、或铌、或氮化铌、或氮化钛铌。优选的，所述透射腔和所述偏置结的材料为铝。优选的，还包括位于所述衬底背离所述金属层一面的金属热沉，以对所述低温微波源芯片进行散热。本专利技术还公开了一种低温微波源，包括控制电路以及权利要求1-19任一项所述的低温微波源芯片，所述控制电路用于为所述低温微波源芯片施加工作电压，使其产生并发射微波光子；其中，所述控制电路包括恒流源，以及与所述电压偏置线相连的稳压电路；所述恒流源用于为所述稳压电路提供电源输入；所述稳压电路用于为所述低温微波源的偏置结提供偏置电压；其中，所述恒流源设置于室温环境下，所述低温微波源芯片设置于低温环境下，所述稳压电路包括室温稳压电路和低温稳压电路，所述低温稳压电路与所述低温微波源芯片设置于相同环境下。优选的，所述室温稳压电路包括与所述恒流源电连接的第一低通滤波器，用于消除因电路上的噪声导致的电压波动；所述低温稳压电路包括：与所述第一低通滤波器电连接的第二低通滤波器，用于消除因电路上的噪声导致的电压波动；第一分压电阻、第二分压电阻和第一接地阻抗元件，所述第一分压电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温微波源芯片，其特征在于，包括衬底以及位于衬底表面上的透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线；其中，所述透射腔用于发射微波光子，所述透射腔包括SQUID链，所述SQUID链包括多个SQUID结构，所述多个SQUID结构相互串联；所述偏置结与所述透射腔电连接，用于产生微波光子；所述电压偏置线用于为所述偏置结施加偏置电压，使所述偏置结中的电子库珀对通过受激发射的方式，转化为微波光子；所述直流偏置线用于为所述透射腔施加磁场；其中，所述透射腔的谐振频率由所述SQUID链的总电容和总电感决定；所述SQUID链的总电感随所述磁场大小的变化而变化，所述磁场的大小随所述直流偏置线中电流大小的变化而变化。

【技术特征摘要】
1.一种低温微波源芯片，其特征在于，包括衬底以及位于衬底表面上的透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线；其中，所述透射腔用于发射微波光子，所述透射腔包括SQUID链，所述SQUID链包括多个SQUID结构，所述多个SQUID结构相互串联；所述偏置结与所述透射腔电连接，用于产生微波光子；所述电压偏置线用于为所述偏置结施加偏置电压，使所述偏置结中的电子库珀对通过受激发射的方式，转化为微波光子；所述直流偏置线用于为所述透射腔施加磁场；其中，所述透射腔的谐振频率由所述SQUID链的总电容和总电感决定；所述SQUID链的总电感随所述磁场大小的变化而变化，所述磁场的大小随所述直流偏置线中电流大小的变化而变化。2.根据权利要求1所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述透射腔的总电感大于所述偏置结的总电感，以使所述电子库珀对在恒压偏置的情况下，通过产生或吸收一个光子，即可隧穿通过所述偏置结。3.根据权利要求2所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述微波光子从所述透射腔中发射出去时的发射速率，小于所述电子库珀对隧穿通过所述偏置结的隧穿速率，以使所述微波光子在发射出去之前，再次被所述电子库珀对吸收，以促进所述电子库珀对的下一次隧穿，以持续产生微波光子。4.根据权利要求3所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述SQUID结构为两个并联的约瑟夫森结构成的环状结构；所述约瑟夫森结包括依次位于所述衬底表面的第一超导层、绝缘层和第二超导层。5.根据权利要求4所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述直流偏置线包括长条状的电极条，所述电极条的长边与所述SQUID链平行设置。6.根据权利要求5所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述衬底表面除所述透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线之外，还包括金属层，所述金属层包围所述透射腔、偏置结、电压偏置线、以及直流偏置线，且所述金属层、所述电压偏置线及所述直流偏置线在同一光刻过程中形成；所述透射腔与分别位于其两侧的所述金属层及所述直流偏置线构成共面波导结构；所述直流偏置线与其周围的所述金属层构成共面波导结构。7.根据权利要求6所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述偏置结为约瑟夫森结。8.根据权利要求7所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述偏置结的一端与所述透射腔的输出端直接相连，另一端与所述金属层直接相连。9.根据权利要求8所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述偏置结的形成方向与SQUID链透射腔中约瑟夫森结的形成方向一致，以使所述偏置结与所述SQUID链在同一工艺步骤中形成。10.根据权利要求9所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述偏置结与所述透射腔的输出端的连接方式为：在所述透射腔长边且靠近所述透射腔输出端的位置，延伸出长条形的导电材料作为第一连接线，所述第一连接线与所述偏置结的第一边直接接触；所述偏置结与所述金属层的连接方式为：在所述偏置结的第二边延伸出长条形的导电材料作为第二连接线，在金属层朝向所述偏置结的方向上延伸出长条形的导电材料作为第三连接线，所述第二连接线与所述第三连接线直接相连，且二者的夹角为直角，所述偏置结的第一边与第二边为沿所述透射腔长度方向相对的两个边。11.根据权利要求10所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述第一连接线、所述第二连接线与所述偏置结在同一工艺步骤中形成；所述第三连接线与所述金属层在同一工艺步骤中形成。12.根据权利要求9所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述偏置结与所述透射腔的输出端的连接方式为：在所述透射腔长边且靠近所述透射腔输出端的位置，延伸出长条形的导电材料作为第一连接线，所述第一连接线与所述偏置结的第一边直接接触；所述偏置结与所述金属层的连接方式为：在所述偏置结的第二边延伸出长条形的导电材料作为第四连接线，在金属层朝向所述偏置结的方向上延伸出长条形的导电材料作为第三连接线，在所述第三连接线的尾部朝向所述第四连接线的方向上延伸出的导电材料作为第五连接线，所述第四连接线与所述第五连接线搭接，且所述第三连接线与所述第五连接线的夹角为直角，所述偏置结的第一边与第二边为沿所述透射腔长度方向相对的两个边。13.根据权利要求12所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述第一连接线、所述第四连接线与所述偏置结在同一工艺步骤中形成，所述第三连接线、所述第五连接线与所述金属层在同一工艺步骤中形成。14.根据权利要求8所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述电压偏置线包括电极板，以及环绕所述电极板的电感，所述电感的第一端直接与所述电极板相连，第二端与所述透射腔相连。15.根据权利要求14所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述透射腔为半波长谐振腔，所述透射腔的中心位置为电压波节，所述电感的第二端直接与所述透射腔的中心位置相连。16.根据权利要求14所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述透射腔的输出端与所述金属层间的第一耦合电容C1与所述透射腔的输入端与所述金属层间的第二耦合电容C2之间的关系为C1：C2≥10:1，所述微波光子从所述透射腔的输出端发射的速率Ω正比于C12。17.根据权利要求16所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述透射腔的谐振频率f与所述电压偏置线上施加的恒压U满足关系式mhf＝2eU，其中，m为正整数，h为普朗克常数，e为一个电子的电量；其中，所述透射腔的谐振频率等于所述低温微波源的输出频率。18.根据权利要求17所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述透射腔的总电感L＝L0+nLj/2，所述透射腔的总电容C＝nc+cj，谐振频率其中，Lj为单个约瑟夫森结的电感，L0为所述SQUID链与所述金属层之间的电感，c为单个SQUID结构与所述金属层之间的电容，cj为SQUID链自身的电容，n为所述SQUID链上的SQUID结构的数量。19.根据权利要求1所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述透射腔、所述偏置结、所述电压偏置线、所述直流偏置线和所述金属层的材料均为低温超导材料。20.根据权利要求19所述的低温微波源芯片，其特征在于，所述金属层、所述电压偏置线、以及所述直流偏置线的材料为铝、或铌、或氮化铌、或氮化钛铌。21.根据权利要求20所述的低温微波源...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭国平，段鹏，孔伟成，贾志龙，薛光明，郭光灿，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34