一种基于TSV的3D超导读取谐振腔结构

本发明涉及超导量子计算领域，具体涉及一种基于tsv的3d超导读取谐振腔结构。

背景技术：

1、在超导量子计算领域，读取谐振腔为超导金属和硅等电介质材料组成的共面波导，将读取谐振腔与传输线耦合，可以通过对读取谐振腔的测控来实现对量子比特的色散读取。如说明书附图7所示，目前在设计超导量子芯片时，都是将读取谐振腔、传输线布置在同一个平面上，读取谐振腔的芯片占用面积较大。当比特规模扩大时，读取谐振腔呈阵列形式耦合到传输线上，如说明书附图8所示。在衬底材料固定后，读取谐振腔频率越大，读取谐振腔长度越长，在设计大规模量子比特芯片时，就面临着复杂的线路布局和噪声串扰等因素。这非常不利于大规模比特集成。

2、tsv（through silicon via）即为硅通孔，是一种芯片封装技术，在经典半导体领域中应用广泛，最初的设计用于实现电气连接，通过在通孔内填充铜、钨、多晶硅等导电物质来形成通道，实现上下芯片的垂直信号传输。

技术实现思路

1、本发明为解决现有读取谐振腔结构不利于大规模比特集成的问题，提供了一种基于tsv的3d超导读取谐振腔结构，把读取谐振腔的短路端和开路端分设于芯片的上下两面并通过通孔相连传递微波信号，有助于实现大规模量子比特集成。

2、为了解决上述问题，本发明的技术方案是：

3、一种基于tsv的3d超导读取谐振腔结构，包括芯片，所述芯片的正面设置短路端，芯片的反面设置开路端，所述短路端包括第一共面波导部、所述开路端包括第二共面波导部，所述第一共面波导部和第二共面波导部之间设置通孔，第一共面波导部和第二共面波导部通过通孔连通；

4、第一共面波导部和第二共面波导部形状相同、且上下对应设置，所述第二共面波导部对应第一共面波导部旋转180度；

5、第一共面波导部和第二共面波导部包括圆环状结构和水滴状结构。

6、将短路端布置在芯片的正面、开路端布置在芯片的反面，用通孔及导电介质连接第一共面波导部和第二共面波导部，构成tsv读取谐振腔。

7、进一步地，所述通孔开设于第一共面波导部和第二共面波导部的中部或接近电流波腹位置。

8、进一步地，圆环状结构的所述第一共面波导部和第二共面波导部包括金属区域和衬底区域，所述衬底区域环绕金属区域所述衬底区域包括圆环段和直线段，圆环段设置有开口，所述开口位置与直线段连接。

9、进一步地，水滴状结构的所述第一共面波导部和第二共面波导部包括金属区域和衬底区域，所述衬底区域环绕金属区域，所述衬底区域包括水滴端和直线段，水滴端的窄端设置有开口，所述开口位置与直线段连接。

10、进一步地，所述通孔的数量为两个，两个所述通孔内均填充有导电介质，两个通孔对称设置。

11、进一步地，所述导电介质为超导材料制成的长方体结构。

12、进一步地，所述短路端和开路端之间设置有接地通孔，所述接地通孔贯穿所述正面和背面，接地通孔的数量为8个，8个所述接地通孔两个一组，四组所述接地通孔以所述通孔为中心方形阵列于所述第一共面波导部和第二共面波导部的外侧；

13、接地通孔的延长线与通孔的延长线间的夹角为90°。

14、单通孔会引起显著的阻抗失配，双通孔和周围8个接地通孔能够实现50ω阻抗匹配。

15、通过上述技术方案，本发明的有益效果为：

16、本发明相较于现有平面共面波导读取谐振腔结构通过tsv技术实现空间3d读取谐振腔设计，便于实现大规模量子比特集成。在芯片的正面设置短路端反面设置开路端，短路端包括第一共面波导部，开路端包括第二共面波导部，第一共面波导部和第二共面波导部之间设置有通孔，由通孔相连传递微波信号。通孔开设在第一共面波导部和第二共面波导部的中部或接近电流波腹位置，可以根据实际情布局，灵活性高。

技术特征：

1.一种基于tsv的3d超导读取谐振腔结构，包括芯片，其特征在于，所述芯片的正面设置短路端（1），芯片的反面设置开路端（3），所述短路端（1）包括第一共面波导部（4）、所述开路端（3）包括第二共面波导部（5），所述第一共面波导部（4）和第二共面波导部（5）之间设置通孔（6），第一共面波导部（4）和第二共面波导部（5）通过通孔（6）连通；

2.根据权利要求1所述的一种基于tsv的3d超导读取谐振腔结构，其特征在于，所述通孔（6）开设于第一共面波导部（4）和第二共面波导部（5）的中部或接近电流波腹位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于tsv的3d超导读取谐振腔结构，其特征在于，圆环状结构的所述第一共面波导部（4）和第二共面波导部（5）包括金属区域（9）和衬底区域（10），所述衬底区域（10）环绕金属区域（9）所述衬底区域（10）包括圆环段和直线段，圆环段设置有开口，所述开口位置与直线段连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于tsv的3d超导读取谐振腔结构，其特征在于，水滴状结构的所述第一共面波导部（4）和第二共面波导部（5）包括金属区域（9）和衬底区域（10），所述衬底区域（10）环绕金属区域（9），所述衬底区域（10）包括水滴端和直线段，水滴端的窄端设置有开口，所述开口位置与直线段连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于tsv的3d超导读取谐振腔结构，其特征在于，所述通孔（6）的数量为两个，两个所述通孔（6）内均填充有导电介质（7），两个通孔（6）对称设置。

6.根据权利要求5所述的一种基于tsv的3d超导读取谐振腔结构，其特征在于，所述导电介质（7）为超导材料制成的长方体结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于tsv的3d超导读取谐振腔结构，其特征在于，所述短路端（1）和开路端（3）之间设置有接地通孔（8），所述接地通孔（8）贯穿所述正面和背面，接地通孔（8）的数量为8个，8个所述接地通孔（8）两个一组，四组所述接地通孔（8）以所述通孔（6）为中心方形阵列于所述第一共面波导部（4）和第二共面波导部（5）的外侧；

技术总结
本发明涉及一种基于TSV的3D超导读取谐振腔结构，包括芯片，所述芯片的正面设置短路端，芯片的反面设置开路端，所述短路端包括第一共面波导部、所述开路端包括第二共面波导部，所述第一共面波导部和第二共面波导部之间设置通孔，第一共面波导部和第二共面波导部通过通孔连通；第一共面波导部和第二共面波导部形状相同、且上下对应设置，所述第二共面波导部对应第一共面波导部旋转180度；第一共面波导部和第二共面波导部包括圆环状结构和水滴状结构。本发明提供了一种基于TSV的3D超导读取谐振腔结构，把读取谐振腔的短路端和开路端分设于芯片的上下两面并通过通孔相连传递微波信号，有助于实现大规模量子比特集成。

技术研发人员：单征,穆清,刘星江,张潮洁,刘福东,王立新,赵博,孙回回,查治国
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17