一种超导LC原子芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种超导LC原子芯片，包括LC谐振腔、CPW共面波导和基底；所述LC谐振腔包括叉指电容和一个与其垂直的电感环，充当超导平面谐振腔，用于与原子实现耦合；所述CPW共面波导包括传输线与接地金属，与LC谐振腔通过电耦合连接，用于连接微波输入或读取设备，以实现将微波信号导入或导出谐振腔；所述基底作为衬底固定LC谐振腔与CPW共面波导并保证其间形成电容。本发明专利技术通过垂直电感环以增强原子所在位置的电磁场强度，使达到强耦合条件时原子可以囚禁在离微波腔平面更远的地方，以实现较强的耦合强度。本发明专利技术对于原子的操控方法较为简易，在实现与原子的耦合之后，仅需控制输入的微波信号便可实现对原子的操控。微波信号便可实现对原子的操控。微波信号便可实现对原子的操控。

【技术实现步骤摘要】
一种超导LC原子芯片


[0001]本专利技术涉及量子通信
，具体涉及一种超导LC原子芯片。

技术介绍

[0002]量子计算、量子通信等量子技术具有广阔的应用前景和重要战略价值，是当前的科技前沿热点。近年来超导量子计算研究进展十分迅速，目前超导量子计算机在某些计算中已实现量子超越。但工作在微波波段的超导量子处理器缺乏光学跃迁，需要其他量子体系辅助才能与光量子网络互联。同时具有微波跃迁和光学跃迁的冷原子体系是其中一种优选体系。因此，实现超导量子电路与冷原子系综的量子信息交换对实现分布式超导量子计算机的研究至关重要。
[0003]要实现高保真度的量子态传输需要实现原子和超导量子比特的强耦合，途径之一是利用原子的基态磁偶极矩与微波腔进行磁耦合。在磁耦合方案中采用的微波腔通常包括两类，其一为超导共面波导谐振腔，2017年德国图宾根大学的研究组首次在实验上实现了原子系综与共面波导谐振腔的相干耦合，但由于原子团离开超导芯片较远，实现的耦合强度不到1kHz。而另一类适合用于与原子进行磁耦合的是集总元件谐振腔。仿真结果表明集总元件LC(电感与电容)谐振腔与原子系综有望实现超过10kHz的磁耦合强度。鉴于集总元件谐振腔的Q值可以做到很高，该结果已经接近了强耦合范畴。
[0004]因此，本专利技术根据国外的研究成果，基于冷原子体系和超导杂化系统尝试开发一种能够实现强磁耦合的集总元件谐振腔。通过与原子实现强磁耦合从而实现微波与光波互联。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为了解决原子系统与超导微波腔的耦合强度较弱，导致量子态在系统中传输速度慢和保真度低的问题，本专利技术提出一种可以实现微波
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光波转换的超导LC原子芯片。利用一个谐振腔让在微波频段工作的平面波导与存在光学跃迁的冷原子体系实现互联，提供一个较为稳定且可调频的超导平面谐振腔，拟让芯片与原子实现稳定的强磁耦合。
[0006]本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：
[0007]一种超导LC原子芯片，包括LC谐振腔、CPW共面波导和基底；
[0008]所述LC谐振腔包括叉指电容和一个与其垂直的电感环，充当超导平面谐振腔，用于与原子实现耦合；
[0009]所述CPW共面波导包括传输线与接地金属，与LC谐振腔通过电耦合连接，用于连接微波输入或读取设备，以实现将微波信号导入或导出谐振腔；
[0010]所述基底作为衬底固定LC谐振腔与CPW共面波导并保证其间形成电容。
[0011]在一个实施例中，将温度降低至到达超导态，再通过输入微波信号使CPW共面波导与LC谐振腔实现电耦合，同时捕获原子至芯片附近使LC谐振腔与原子实现磁耦合。
[0012]在一个实施例中，将温度降低至到达超导态，利用微磁阱将碱金属原子团囚禁在
超导平面谐振腔周围，在芯片达到超导态之后电感环处的磁场强度会急剧增大，且谐振腔的特征频率会达到原子的共振频率，原子团会在电感环处与谐振腔实现耦合；继而通过给传输线通入微波信号使其与谐振腔实现电耦合即可通过控制微波信号来操控原子。
[0013]在一个实施例中，所述LC谐振腔实际为一个RLC电路，当电路处于超导态的时候电阻R转换为零电阻状态，整个谐振腔具体模型分为两个部分：一个部分为电感环，该部分由一个铌制非闭合椭形导线构成，导线圈的形状影响LC谐振腔的电感部分；另一个部分为叉指电容，由铌制叉指状导线构成，导线内部形成电流之后，叉指部分的导线与导线之间会形成多个电容，叉指电容中导线的间距与叉指个数影响LC谐振腔的电容部分。
[0014]在一个实施例中，所述LC谐振腔具有一个特征频率，当特征频率与碱金属原子的共振频率相同时实现与原子耦合，耦合强度受到整个电路中形成的谐振电流大小影响，谐振电流越大则耦合强度越大；当电路中的能量全部集中在电感环附近时电流达到最大值，此时电路中的电感值达到最小值；整个LC谐振腔的特征频率根据公式确定，其中L表示电路中的总电感，C表示电路中的总电容；而总电感与总电容由整个谐振腔的具体几何形状确定。
[0015]在一个实施例中，通过增大电感环与叉指电容的距离以减少叉指部分形成的电感对能量分布的干扰，从而减小电路中的总电感大小并增大电感环的磁场强度，使LC谐振腔能够更好地与原子实现耦合。
[0016]在一个实施例中，所述CPW共面波导包括由一段铌制中心导体组成的传输线和由分布在中心导体两侧的两块接地铌金属组成的接地金属，CPW共面波导与LC谐振腔之间形成一个电容，通过降低温度使LC谐振腔与CPW共面波导处于超导态，利用波形发生器给中心导体输入微波信号，使CPW共面波导与LC谐振腔实现电耦合，从而使超导平面谐振腔内形成一个与微波信号同相位的谐振电流，将微波信号传输到谐振腔内。
[0017]在一个实施例中，所述基底为蓝宝石基底。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0019]1、本专利技术通过垂直电感环以增强原子所在位置的电磁场强度，使达到强耦合条件时原子可以囚禁在离微波腔平面更远的地方，以实现较强的耦合强度。
[0020]2、本专利技术的超导LC芯片在工作时具有稳定的特征频率，能够锁定与原子共振的频率，有较强的稳定性；并且本专利技术LC芯片的特征频率可随温度改变，因而又具有一定的可调性，降低了对实验系统的要求。
[0021]3、本专利技术对于原子的操控方法较为简易，在实现与原子的耦合之后，仅需控制输入的微波信号便可实现对原子的操控。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为本专利技术超导LC原子芯片的结构示意图；
[0024]图2为本专利技术超导LC原子芯片的立体结构示意图；
[0025]图3为本专利技术超导LC原子芯片的耦合示意图(叉指电容局部放大)。
[0026]附图标记说明：
[0027]1、电感环；2、叉指电容；3、传输线；4、接地金属；5、基底；6、原子团。
具体实施方式
[0028]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]如图1
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2所示，本实施例的超导LC原子芯片，包括LC谐振腔、CPW共面波导和蓝宝石基底5三大部分。
[0030]所述LC谐振腔由铌制导线构成的叉指电容2和一个与其垂直的电感环1组合构成，主要充当超导平面谐振腔，用于与原子实现耦合；CPW共面波导主要由铌制传输线3与接地金属4组成，与LC谐振腔通过电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超导LC原子芯片，其特征在于，包括LC谐振腔、CPW共面波导和基底；所述LC谐振腔包括叉指电容和一个与其垂直的电感环，充当超导平面谐振腔，用于与原子实现耦合；所述CPW共面波导包括传输线与接地金属，与LC谐振腔通过电耦合连接，用于连接微波输入或读取设备，以实现将微波信号导入或导出谐振腔；所述基底作为衬底固定LC谐振腔与CPW共面波导并保证其间形成电容。2.根据权利要求1所述的超导LC原子芯片，其特征在于，将温度降低至到达超导态，再通过输入微波信号使CPW共面波导与LC谐振腔实现电耦合，同时捕获原子至芯片附近使LC谐振腔与原子实现磁耦合。3.根据权利要求1所述的超导LC原子芯片，其特征在于，将温度降低至到达超导态，利用微磁阱将碱金属原子团囚禁在超导平面谐振腔周围，在芯片达到超导态之后电感环处的磁场强度会急剧增大，且谐振腔的特征频率会达到原子的共振频率，原子团会在电感环处与谐振腔实现耦合；继而通过给传输线通入微波信号使其与谐振腔实现电耦合即可通过控制微波信号来操控原子。4.根据权利要求1所述的超导LC原子芯片，其特征在于，所述LC谐振腔实际为一个RLC电路，当电路处于超导态的时候电阻R转换为零电阻状态，整个谐振腔具体模型分为两个部分：一个部分为电感环，该部分由一个铌制非闭合椭形导线构成，导线圈的形状影响LC谐振腔的电感部分；另一个部分为叉指电容，由铌制叉指状导线构成，导线内部形成电流之后，叉指部分的导线与导...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈儒杰，杨震寰，古锦浩，朱世钰，梁振涛，吕庆先，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：