專利名稱：一種超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量系統(tǒng)，特別是一種超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
量子計(jì)算是一個(gè)對計(jì)算機(jī)科學(xué)、密碼技術(shù)、通信技術(shù)以及國家安全和商業(yè)應(yīng)用都有著潛在重大影響的領(lǐng)域。量子比特是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)基本單元，超導(dǎo)量子比特是眾多的物理載體中優(yōu)勢比較突出的一種方案。針對超導(dǎo)量子比特中的一種形式——相位量子比特，我們通過測量約瑟夫森結(jié)跳變電流的統(tǒng)計(jì)分布來分析研究其熱激發(fā)躍遷、量子躍遷等特性。
實(shí)際測量中采用通過對時(shí)間的測量來獲得跳變電流的方法，即通過對時(shí)間的測量來獲得單個(gè)約瑟夫森結(jié)跳變電流的統(tǒng)計(jì)分布曲線，并與理論值相比較。具體原理如下在某一溫度下，在約瑟夫森結(jié)兩端加一直流偏置，該直流以dI/dt的速率逐漸增大。在t0時(shí)刻，偏置電流從零開始增大，同時(shí)監(jiān)測結(jié)兩端的電壓，當(dāng)結(jié)電壓從零跳變到一有限值時(shí)，記下這一瞬間對應(yīng)的時(shí)刻tv，對應(yīng)的跳變電流，接著將偏置電流降為零，使結(jié)恢復(fù)到初始態(tài)。要獲得跳變電流的統(tǒng)計(jì)特性，需重復(fù)上述過程104次以上，對Isw進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布，得到一組P(I)。再改變溫度，重復(fù)上述過程，得到另外一組P(I)。在不同溫度下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布測量，要求系統(tǒng)提供不同的溫度，且在某一溫度下對跳變電流進(jìn)行數(shù)千次以上的測量，所以制冷機(jī)要使約瑟夫森結(jié)能保持在極低溫區(qū)，達(dá)到絕對溫度10毫度也就是絕對溫度0.01度。
現(xiàn)有的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，如圖1所示，包括，信號源(101)，該信號源(101)的電流信號輸出端連接被測的約瑟夫森結(jié)(102)的一端，所述被測的約瑟夫森結(jié)(102)的另一端接地，所述被測的約瑟夫森結(jié)(102)的兩端分別連接低噪聲放大器(103)的兩個(gè)輸入端，所述低噪聲放大器(103)的輸出端連接放大器(104)的正端，所述放大器(104)的負(fù)端接地，所述放大器(104)的輸出端連接計(jì)數(shù)器(105)的停止端，所述計(jì)數(shù)器(105)的開始端連接所述信號源(101)的輸出同步信號輸出端，所述計(jì)數(shù)器(105)和信號源(101)分別與PC機(jī)(106)連接，所述被測的約瑟夫森結(jié)(102)放置在制冷機(jī)的杜瓦(107)內(nèi)。
現(xiàn)有的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)中沒有采用降低噪聲的設(shè)備，由于極低溫下，熱噪聲很低，約瑟夫森結(jié)對外界噪聲是很敏感的，當(dāng)外界耦合到結(jié)上的或測量系統(tǒng)本身的噪聲信號，大于結(jié)兩端的輸出信號時(shí)，就無法測量到結(jié)產(chǎn)生的很弱的量子信號。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述缺陷，本發(fā)明提供一種超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，能夠有效解決超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)中的噪聲干擾問題。
本發(fā)明提供的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，包括，信號源，該信號源的電流信號輸出端用于連接被測的約瑟夫森結(jié)，所述被測的約瑟夫森結(jié)的兩端分別連接低噪聲放大器的兩個(gè)輸入端，所述低噪聲放大器的輸出端連接放大器的正端，所述放大器的負(fù)端接地，所述放大器的輸出端連接計(jì)數(shù)器的停止端，所述計(jì)數(shù)器的開始端連接所述信號源的輸出同步信號輸出端，在所述信號源的電流信號輸出端與被測的約瑟夫森結(jié)之間串聯(lián)銅粉濾波器，所述信號源的電流信號輸出端與所述銅粉濾波器之間串聯(lián)RC濾波器。
優(yōu)選地，本系統(tǒng)還包括串聯(lián)在所述信號源的輸出同步信號輸出端與所述計(jì)數(shù)器的開始端之間的光耦隔離器。
優(yōu)選地，本系統(tǒng)還包括串聯(lián)在所述信號源的電流信號輸出端與RC濾波器之間的光耦隔離器。
優(yōu)選地，本系統(tǒng)還包括用于放置所述被測的約瑟夫森結(jié)的金屬樣品盒。
優(yōu)選地，所述金屬樣品盒是由超導(dǎo)金屬材料制成。
優(yōu)選地，所述所述超導(dǎo)金屬材料是鋁材料。
優(yōu)選地，所述放大器和光耦隔離器采用電池供電。
優(yōu)選地，所述測量系統(tǒng)使用專用獨(dú)立的電纜線供電，并且使用接地電阻小于1歐姆的接地線。
優(yōu)選地，所述制冷機(jī)杜瓦放置在光學(xué)減震平臺上，并且在所述制冷機(jī)的杜瓦和該光學(xué)減震平臺之間設(shè)置氣囊減震器。
優(yōu)選地，所述制冷機(jī)的杜瓦外設(shè)置磁屏蔽桶，與所述制冷機(jī)的杜瓦連接的部分循環(huán)管路外設(shè)置電磁屏蔽箱，所述計(jì)數(shù)器、信號源、低噪聲放大器和放大器放置在電磁屏蔽室中。
超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)中的噪聲可大體上分為環(huán)境噪聲(又稱外部噪聲)和系統(tǒng)噪聲(又稱內(nèi)部噪聲)。環(huán)境噪聲包括一切客觀存在的外界非待測信號和干擾信號，如空間傳播的電磁波信號，電器設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備等發(fā)出的電磁干擾，地磁場以及各種形式的人工磁場等。系統(tǒng)噪聲包括電子器件的本征噪聲、電路噪聲等。有時(shí)環(huán)境溫度的起伏、溫度梯度、環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)等也會(huì)使體系噪聲增大。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，在被測的約瑟夫森結(jié)和信號源之間串聯(lián)RC濾波器和銅粉濾波器，從而有效減少信號源及導(dǎo)線引入的噪聲干擾等噪聲干擾。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，在信號源的輸出端串聯(lián)光耦隔離器，從而減少由信號源信號不穩(wěn)定而產(chǎn)生的噪聲干擾；在信號源的輸出同步信號輸出端與計(jì)數(shù)器的開始端之間串聯(lián)光耦隔離器，從而減少計(jì)數(shù)器對信號源的噪聲干擾；放大器和光耦隔離器都采用電池供電，從而減少交流電源帶來的噪聲干擾。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，被測的約瑟夫森結(jié)放置在金屬樣品盒內(nèi)，特別是使用超導(dǎo)金屬鋁材料制作樣品盒，測量時(shí)被測的約瑟夫森結(jié)及樣品盒處于mk量級的溫度環(huán)境中，而鋁在溫度降到1.14k后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，就成為被測的約瑟夫森結(jié)外圍的超導(dǎo)屏蔽層，可進(jìn)一步減小外部環(huán)境噪聲對樣品的干擾。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，使用專用獨(dú)立的電纜供電、設(shè)置接地電阻小于1歐姆的接地線，能夠有效的防止被污染的電源對測量的噪聲干擾。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，設(shè)置光學(xué)減震平臺和氣囊減震器，能夠有效的減少震動(dòng)對測量的噪聲干擾。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，設(shè)置電磁屏蔽層、電磁屏蔽層和電磁屏蔽室，能夠有效的屏蔽地磁場和外電磁場對測量的噪聲干擾。
總而言之，本發(fā)明提供的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)能夠達(dá)到有效降低噪聲的目的，能夠滿足超導(dǎo)量子比特測量的需要。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)的電路圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電路圖。
具體實(shí)施例方式
請參看圖2，為本發(fā)明實(shí)施例提供的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)的電路圖。
如圖2所示，包括，信號源(201)，該信號源(201)的電流信號輸出端連接被測的約瑟夫森結(jié)(202)的一端，在所述信號源(201)的電流信號輸出端和所述被測的約瑟夫森結(jié)(202)之間串聯(lián)銅粉濾波器(208)，在所述信號源(201)的電流信號輸出端和所述銅粉濾波器(208)之間串聯(lián)RC濾波器(209)，在所述信號源(201)的電流信號輸出端和所述RC濾波器(209)之間串聯(lián)光耦隔離器(210)，所述被測的約瑟夫森結(jié)(202)的另一端接地，所述被測的約瑟夫森結(jié)(202)的兩端分別連接低噪聲放大器(203)的兩個(gè)輸入端，所述低噪聲放大器(203)的輸出端連接放大器(204)的正端，所述放大器(204)的負(fù)端接地，所述放大器(204)的輸出端連接計(jì)數(shù)器(205)的停止端，所述計(jì)數(shù)器(205)的開始端連接所述信號源(201)的輸出同步信號輸出端，在所屬信號源(201)的輸出同步信號輸出端和計(jì)數(shù)器(205)的開始端之間串聯(lián)光耦隔離器(211)，所述計(jì)數(shù)器(205)和信號源(201)分別與PC機(jī)(206)連接，所述被測的約瑟夫森結(jié)(202)放置在制冷機(jī)的杜瓦(207)內(nèi)，所述約瑟夫森結(jié)(202)放置在鋁質(zhì)樣品盒內(nèi)。
所述超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)使用專用獨(dú)立的電纜線供電，即此獨(dú)立電纜是直接從市電系統(tǒng)的變壓器接入，不連接其他任何用電設(shè)備。所述制冷機(jī)杜瓦(207)放置在光學(xué)減震平臺上，并且在所述制冷機(jī)杜瓦(207)和所述光學(xué)減震平臺之間設(shè)置氣囊減震器。所述制冷機(jī)的杜瓦放置在磁屏蔽桶內(nèi)，所述制冷機(jī)的部分循環(huán)管路放置在電磁屏蔽箱中，所述計(jì)數(shù)器、信號源、低噪聲放大器和放大器放置在電磁屏蔽室中。
超導(dǎo)量子比特測量需要在不同溫度下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布測量，要求系統(tǒng)提供不同的溫度，且在某一溫度下對跳變電流進(jìn)行數(shù)千次以上的測量，所以制冷超導(dǎo)量子比特測量需要在不同溫度下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布測量，要求系統(tǒng)提供不同的溫度，且在某一溫度下對跳變電流進(jìn)行數(shù)千次以上的測量，所以制冷機(jī)要使約瑟夫森結(jié)能保持在極低溫區(qū)，達(dá)到絕對溫度10毫度也就是絕對溫度0.01度。
本發(fā)明實(shí)施中，使用的是牛津儀器公司生產(chǎn)的型號為Kelvinox400MX的高性能稀釋制冷機(jī)，空載溫度可達(dá)8mk，載有樣品時(shí)溫度一般可達(dá)16mK。共有四個(gè)降溫平臺，分別是最外圍的液氦平臺(4.2K)、1K pot平臺(1.2K)、still field平臺(0.6K)和冷卻平臺(50mK)。所述被測的約瑟夫森結(jié)(202)、鋁質(zhì)樣品盒和銅粉濾波器(208)放置在制冷機(jī)的杜瓦(207)內(nèi)的冷卻平臺上，RC濾波器放置在制冷機(jī)的杜瓦(207)內(nèi)的1K pot平臺上。理論上，銅粉濾波器和RC濾波器離被測的約瑟夫森結(jié)越近降噪的效果越好，即都放置在制冷機(jī)杜瓦內(nèi)的冷卻平臺上，但實(shí)際中，由于制冷機(jī)杜瓦內(nèi)的冷卻平臺不能在承載如此多的負(fù)載的情況下達(dá)到測量所需的溫度。
超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)中的噪聲可大體上分為環(huán)境噪聲(又稱外部噪聲)和系統(tǒng)噪聲(又稱內(nèi)部噪聲)。環(huán)境噪聲包括一切客觀存在的外界非待測信號和干擾信號，如空間傳播的電磁波信號，電器設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備等發(fā)出的電磁干擾，地磁場以及各種形式的人工磁場等。系統(tǒng)噪聲包括電子器件的本征噪聲、電路噪聲等。有時(shí)環(huán)境溫度的起伏、溫度梯度、環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)等也會(huì)使體系噪聲增大。
本發(fā)明提供的低噪聲超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，在被測的約瑟夫森結(jié)和信號源之間串聯(lián)RC濾波器和銅粉濾波器，從而有效減少信號源及導(dǎo)線引入的噪聲干擾、熱噪聲等噪聲干擾。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，在信號源的輸出端串聯(lián)光耦隔離器，從而減少由信號源信號不穩(wěn)定而產(chǎn)生的噪聲干擾；在信號源的輸出同步信號輸出端與計(jì)數(shù)器的開始端之間串聯(lián)光耦隔離器，從而減少計(jì)數(shù)器對信號源的噪聲干擾；放大器和光耦隔離器都采用電池供電，從而減少交流電源帶來的噪聲干擾。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，被測的約瑟夫森結(jié)放置在鋁質(zhì)樣品盒內(nèi)，由于測量時(shí)被測的約瑟夫森結(jié)及樣品盒處于mk量級的溫度環(huán)境中，而鋁在溫度的樣品盒同樣能夠起到一定的屏蔽噪聲的作用，特別是鉛等超導(dǎo)金屬材料制成的樣品盒同樣能夠很好的屏蔽噪聲的作用。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，使用專用獨(dú)立的電纜供電、設(shè)置接地電阻小于1歐姆的接地線，能夠有效的防止被污染的電源對測量的噪聲干擾。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，設(shè)置光學(xué)減震平臺和氣囊減震器，能夠有效的減少震動(dòng)對測量的噪聲干擾。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，設(shè)置磁屏蔽桶、電磁屏蔽箱和電磁屏蔽室，能夠有效的屏蔽地磁場和外電磁場對測量的噪聲干擾。
系統(tǒng)在測量時(shí)還需要加入用于超導(dǎo)量子比特的約瑟夫森結(jié)電流偏置。
總而言之，本發(fā)明提供的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)能夠達(dá)到有效降低噪聲的目的，能夠滿足超導(dǎo)量子比特測量的需要。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，包括，信號源，該信號源的電流信號輸出端用于連接被測的約瑟夫森結(jié)，所述被測的約瑟夫森結(jié)的兩端分別連接低噪聲放大器的兩個(gè)輸入端，所述低噪聲放大器的輸出端連接放大器的正端，所述放大器的負(fù)端接地，所述放大器的輸出端連接計(jì)數(shù)器的停止端，所述計(jì)數(shù)器的開始端連接所述信號源的輸出同步信號輸出端，其特征在于，在所述信號源的電流信號輸出端與被測的約瑟夫森結(jié)之間串聯(lián)銅粉濾波器，所述信號源的電流信號輸出端與所述銅粉濾波器之間串聯(lián)RC濾波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括串聯(lián)在所述信號源的輸出同步信號輸出端與所述計(jì)數(shù)器的開始端之間的光耦隔離器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括串聯(lián)在所述信號源的電流信號輸出端與RC濾波器之間的光耦隔離器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于放置所述被測的約瑟夫森結(jié)的金屬樣品盒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬樣品盒是由超導(dǎo)金屬材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，其特征在于，所述所述超導(dǎo)金屬材料是鋁材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器和光耦隔離器采用電池供電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)使用專用獨(dú)立的電纜線供電，并且使用接地電阻小于1歐姆的接地線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷機(jī)杜瓦放置在光學(xué)減震平臺上，并且在所述制冷機(jī)的杜瓦和該光學(xué)減震平臺之間設(shè)置氣囊減震器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷機(jī)的杜瓦外設(shè)置磁屏蔽桶，與所述制冷機(jī)的杜瓦連接的部分循環(huán)管路外設(shè)置電磁屏蔽箱，所述計(jì)數(shù)器、信號源、低噪聲放大器和放大器放置在電磁屏蔽室中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)，包括，信號源，該信號源的電流信號輸出端用于連接被測的約瑟夫森結(jié)，所述被測的約瑟夫森結(jié)的兩端分別連接低噪聲放大器的兩個(gè)輸入端，所述低噪聲放大器的輸出端連接放大器的正端，所述放大器的負(fù)端接地，所述放大器的輸出端連接計(jì)數(shù)器的停止端，所述計(jì)數(shù)器的開始端連接所述信號源的輸出同步信號輸出端，并且，在所述信號源的電流信號輸出端與被測的約瑟夫森結(jié)之間串聯(lián)銅粉濾波器，所述信號源的電流信號輸出端與所述銅粉濾波器之間串聯(lián)RC濾波器。本發(fā)明提供的超導(dǎo)量子比特測量系統(tǒng)能夠達(dá)到有效降低噪聲的目的，能夠滿足超導(dǎo)量子比特測量的需要。
文檔編號G01R19/30GK101059556SQ200710022979
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者許偉偉 申請人:南京大學(xué)