专利名称：一种超导量子比特测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量系统，特别是一种超导量子比特测量系统。
背景技术：
量子计算是一个对计算机科学、密码技术、通信技术以及国家安全和商业应用都有着潜在重大影响的领域。量子比特是实现量子计算机的一个基本单元，超导量子比特是众多的物理载体中优势比较突出的一种方案。针对超导量子比特中的一种形式——相位量子比特，我们通过测量约瑟夫森结跳变电流的统计分布来分析研究其热激发跃迁、量子跃迁等特性。
实际测量中采用通过对时间的测量来获得跳变电流的方法，即通过对时间的测量来获得单个约瑟夫森结跳变电流的统计分布曲线，并与理论值相比较。具体原理如下在某一温度下，在约瑟夫森结两端加一直流偏置，该直流以dI/dt的速率逐渐增大。在t0时刻，偏置电流从零开始增大，同时监测结两端的电压，当结电压从零跳变到一有限值时，记下这一瞬间对应的时刻tv，对应的跳变电流，接着将偏置电流降为零，使结恢复到初始态。要获得跳变电流的统计特性，需重复上述过程104次以上，对Isw进行统计分布，得到一组P(I)。再改变温度，重复上述过程，得到另外一组P(I)。在不同温度下进行统计分布测量，要求系统提供不同的温度，且在某一温度下对跳变电流进行数千次以上的测量，所以制冷机要使约瑟夫森结能保持在极低温区，达到绝对温度10毫度也就是绝对温度0.01度。
现有的超导量子比特测量系统，如图1所示，包括，信号源(101)，该信号源(101)的电流信号输出端连接被测的约瑟夫森结(102)的一端，所述被测的约瑟夫森结(102)的另一端接地，所述被测的约瑟夫森结(102)的两端分别连接低噪声放大器(103)的两个输入端，所述低噪声放大器(103)的输出端连接放大器(104)的正端，所述放大器(104)的负端接地，所述放大器(104)的输出端连接计数器(105)的停止端，所述计数器(105)的开始端连接所述信号源(101)的输出同步信号输出端，所述计数器(105)和信号源(101)分别与PC机(106)连接，所述被测的约瑟夫森结(102)放置在制冷机的杜瓦(107)内。
现有的超导量子比特测量系统中没有采用降低噪声的设备，由于极低温下，热噪声很低，约瑟夫森结对外界噪声是很敏感的，当外界耦合到结上的或测量系统本身的噪声信号，大于结两端的输出信号时，就无法测量到结产生的很弱的量子信号。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供一种超导量子比特测量系统，能够有效解决超导量子比特测量系统中的噪声干扰问题。
本发明提供的超导量子比特测量系统，包括，信号源，该信号源的电流信号输出端用于连接被测的约瑟夫森结，所述被测的约瑟夫森结的两端分别连接低噪声放大器的两个输入端，所述低噪声放大器的输出端连接放大器的正端，所述放大器的负端接地，所述放大器的输出端连接计数器的停止端，所述计数器的开始端连接所述信号源的输出同步信号输出端，在所述信号源的电流信号输出端与被测的约瑟夫森结之间串联铜粉滤波器，所述信号源的电流信号输出端与所述铜粉滤波器之间串联RC滤波器。
优选地，本系统还包括串联在所述信号源的输出同步信号输出端与所述计数器的开始端之间的光耦隔离器。
优选地，本系统还包括串联在所述信号源的电流信号输出端与RC滤波器之间的光耦隔离器。
优选地，本系统还包括用于放置所述被测的约瑟夫森结的金属样品盒。
优选地，所述金属样品盒是由超导金属材料制成。
优选地，所述所述超导金属材料是铝材料。
优选地，所述放大器和光耦隔离器采用电池供电。
优选地，所述测量系统使用专用独立的电缆线供电，并且使用接地电阻小于1欧姆的接地线。
优选地，所述制冷机杜瓦放置在光学减震平台上，并且在所述制冷机的杜瓦和该光学减震平台之间设置气囊减震器。
优选地，所述制冷机的杜瓦外设置磁屏蔽桶，与所述制冷机的杜瓦连接的部分循环管路外设置电磁屏蔽箱，所述计数器、信号源、低噪声放大器和放大器放置在电磁屏蔽室中。
超导量子比特测量系统中的噪声可大体上分为环境噪声(又称外部噪声)和系统噪声(又称内部噪声)。环境噪声包括一切客观存在的外界非待测信号和干扰信号，如空间传播的电磁波信号，电器设备、动力设备等发出的电磁干扰，地磁场以及各种形式的人工磁场等。系统噪声包括电子器件的本征噪声、电路噪声等。有时环境温度的起伏、温度梯度、环境产生的振动等也会使体系噪声增大。
与现有技术相比，本发明提供的超导量子比特测量系统，在被测的约瑟夫森结和信号源之间串联RC滤波器和铜粉滤波器，从而有效减少信号源及导线引入的噪声干扰等噪声干扰。
在本发明的优选方案中，在信号源的输出端串联光耦隔离器，从而减少由信号源信号不稳定而产生的噪声干扰；在信号源的输出同步信号输出端与计数器的开始端之间串联光耦隔离器，从而减少计数器对信号源的噪声干扰；放大器和光耦隔离器都采用电池供电，从而减少交流电源带来的噪声干扰。
在本发明的优选方案中，被测的约瑟夫森结放置在金属样品盒内，特别是使用超导金属铝材料制作样品盒，测量时被测的约瑟夫森结及样品盒处于mk量级的温度环境中，而铝在温度降到1.14k后会转变为超导体，就成为被测的约瑟夫森结外围的超导屏蔽层，可进一步减小外部环境噪声对样品的干扰。
在本发明的优选方案中，使用专用独立的电缆供电、设置接地电阻小于1欧姆的接地线，能够有效的防止被污染的电源对测量的噪声干扰。
在本发明的优选方案中，设置光学减震平台和气囊减震器，能够有效的减少震动对测量的噪声干扰。
在本发明的优选方案中，设置电磁屏蔽层、电磁屏蔽层和电磁屏蔽室，能够有效的屏蔽地磁场和外电磁场对测量的噪声干扰。
总而言之，本发明提供的超导量子比特测量系统能够达到有效降低噪声的目的，能够满足超导量子比特测量的需要。
图1是现有技术中超导量子比特测量系统的电路图；图2是本发明实施例的电路图。
具体实施例方式
请参看图2，为本发明实施例提供的超导量子比特测量系统的电路图。
如图2所示，包括，信号源(201)，该信号源(201)的电流信号输出端连接被测的约瑟夫森结(202)的一端，在所述信号源(201)的电流信号输出端和所述被测的约瑟夫森结(202)之间串联铜粉滤波器(208)，在所述信号源(201)的电流信号输出端和所述铜粉滤波器(208)之间串联RC滤波器(209)，在所述信号源(201)的电流信号输出端和所述RC滤波器(209)之间串联光耦隔离器(210)，所述被测的约瑟夫森结(202)的另一端接地，所述被测的约瑟夫森结(202)的两端分别连接低噪声放大器(203)的两个输入端，所述低噪声放大器(203)的输出端连接放大器(204)的正端，所述放大器(204)的负端接地，所述放大器(204)的输出端连接计数器(205)的停止端，所述计数器(205)的开始端连接所述信号源(201)的输出同步信号输出端，在所属信号源(201)的输出同步信号输出端和计数器(205)的开始端之间串联光耦隔离器(211)，所述计数器(205)和信号源(201)分别与PC机(206)连接，所述被测的约瑟夫森结(202)放置在制冷机的杜瓦(207)内，所述约瑟夫森结(202)放置在铝质样品盒内。
所述超导量子比特测量系统使用专用独立的电缆线供电，即此独立电缆是直接从市电系统的变压器接入，不连接其他任何用电设备。所述制冷机杜瓦(207)放置在光学减震平台上，并且在所述制冷机杜瓦(207)和所述光学减震平台之间设置气囊减震器。所述制冷机的杜瓦放置在磁屏蔽桶内，所述制冷机的部分循环管路放置在电磁屏蔽箱中，所述计数器、信号源、低噪声放大器和放大器放置在电磁屏蔽室中。
超导量子比特测量需要在不同温度下进行统计分布测量，要求系统提供不同的温度，且在某一温度下对跳变电流进行数千次以上的测量，所以制冷超导量子比特测量需要在不同温度下进行统计分布测量，要求系统提供不同的温度，且在某一温度下对跳变电流进行数千次以上的测量，所以制冷机要使约瑟夫森结能保持在极低温区，达到绝对温度10毫度也就是绝对温度0.01度。
本发明实施中，使用的是牛津仪器公司生产的型号为Kelvinox400MX的高性能稀释制冷机，空载温度可达8mk，载有样品时温度一般可达16mK。共有四个降温平台，分别是最外围的液氦平台(4.2K)、1K pot平台(1.2K)、still field平台(0.6K)和冷却平台(50mK)。所述被测的约瑟夫森结(202)、铝质样品盒和铜粉滤波器(208)放置在制冷机的杜瓦(207)内的冷却平台上，RC滤波器放置在制冷机的杜瓦(207)内的1K pot平台上。理论上，铜粉滤波器和RC滤波器离被测的约瑟夫森结越近降噪的效果越好，即都放置在制冷机杜瓦内的冷却平台上，但实际中，由于制冷机杜瓦内的冷却平台不能在承载如此多的负载的情况下达到测量所需的温度。
超导量子比特测量系统中的噪声可大体上分为环境噪声(又称外部噪声)和系统噪声(又称内部噪声)。环境噪声包括一切客观存在的外界非待测信号和干扰信号，如空间传播的电磁波信号，电器设备、动力设备等发出的电磁干扰，地磁场以及各种形式的人工磁场等。系统噪声包括电子器件的本征噪声、电路噪声等。有时环境温度的起伏、温度梯度、环境产生的振动等也会使体系噪声增大。
本发明提供的低噪声超导量子比特测量系统，在被测的约瑟夫森结和信号源之间串联RC滤波器和铜粉滤波器，从而有效减少信号源及导线引入的噪声干扰、热噪声等噪声干扰。
在本发明的优选方案中，在信号源的输出端串联光耦隔离器，从而减少由信号源信号不稳定而产生的噪声干扰；在信号源的输出同步信号输出端与计数器的开始端之间串联光耦隔离器，从而减少计数器对信号源的噪声干扰；放大器和光耦隔离器都采用电池供电，从而减少交流电源带来的噪声干扰。
在本发明的优选方案中，被测的约瑟夫森结放置在铝质样品盒内，由于测量时被测的约瑟夫森结及样品盒处于mk量级的温度环境中，而铝在温度的样品盒同样能够起到一定的屏蔽噪声的作用，特别是铅等超导金属材料制成的样品盒同样能够很好的屏蔽噪声的作用。
在本发明的优选方案中，使用专用独立的电缆供电、设置接地电阻小于1欧姆的接地线，能够有效的防止被污染的电源对测量的噪声干扰。
在本发明的优选方案中，设置光学减震平台和气囊减震器，能够有效的减少震动对测量的噪声干扰。
在本发明的优选方案中，设置磁屏蔽桶、电磁屏蔽箱和电磁屏蔽室，能够有效的屏蔽地磁场和外电磁场对测量的噪声干扰。
系统在测量时还需要加入用于超导量子比特的约瑟夫森结电流偏置。
总而言之，本发明提供的超导量子比特测量系统能够达到有效降低噪声的目的，能够满足超导量子比特测量的需要。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种超导量子比特测量系统，包括，信号源，该信号源的电流信号输出端用于连接被测的约瑟夫森结，所述被测的约瑟夫森结的两端分别连接低噪声放大器的两个输入端，所述低噪声放大器的输出端连接放大器的正端，所述放大器的负端接地，所述放大器的输出端连接计数器的停止端，所述计数器的开始端连接所述信号源的输出同步信号输出端，其特征在于，在所述信号源的电流信号输出端与被测的约瑟夫森结之间串联铜粉滤波器，所述信号源的电流信号输出端与所述铜粉滤波器之间串联RC滤波器。
2.根据权利要求1所述的超导量子比特测量系统，其特征在于，还包括串联在所述信号源的输出同步信号输出端与所述计数器的开始端之间的光耦隔离器。
3.根据权利要求1所述的超导量子比特测量系统，其特征在于，还包括串联在所述信号源的电流信号输出端与RC滤波器之间的光耦隔离器。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的超导量子比特测量系统，其特征在于，还包括用于放置所述被测的约瑟夫森结的金属样品盒。
5.根据权利要求4所述的超导量子比特测量系统，其特征在于，所述金属样品盒是由超导金属材料制成。
6.根据权利要求5所述的超导量子比特测量系统，其特征在于，所述所述超导金属材料是铝材料。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的超导量子比特测量系统，其特征在于，所述放大器和光耦隔离器采用电池供电。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的超导量子比特测量系统，其特征在于，所述测量系统使用专用独立的电缆线供电，并且使用接地电阻小于1欧姆的接地线。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的超导量子比特测量系统，其特征在于，所述制冷机杜瓦放置在光学减震平台上，并且在所述制冷机的杜瓦和该光学减震平台之间设置气囊减震器。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的超导量子比特测量系统，其特征在于，所述制冷机的杜瓦外设置磁屏蔽桶，与所述制冷机的杜瓦连接的部分循环管路外设置电磁屏蔽箱，所述计数器、信号源、低噪声放大器和放大器放置在电磁屏蔽室中。
全文摘要
本发明提供一种超导量子比特测量系统，包括，信号源，该信号源的电流信号输出端用于连接被测的约瑟夫森结，所述被测的约瑟夫森结的两端分别连接低噪声放大器的两个输入端，所述低噪声放大器的输出端连接放大器的正端，所述放大器的负端接地，所述放大器的输出端连接计数器的停止端，所述计数器的开始端连接所述信号源的输出同步信号输出端，并且，在所述信号源的电流信号输出端与被测的约瑟夫森结之间串联铜粉滤波器，所述信号源的电流信号输出端与所述铜粉滤波器之间串联RC滤波器。本发明提供的超导量子比特测量系统能够达到有效降低噪声的目的，能够满足超导量子比特测量的需要。
文档编号G01R19/30GK101059556SQ200710022979
公开日2007年10月24日 申请日期2007年5月29日 优先权日2007年5月29日
发明者许伟伟 申请人:南京大学