一种用于超导量子芯片的激光退火系统的制作方法

1.本实用新型属于量子计算领域，具体的涉及一种用于超导量子芯片的激光退火系统。


背景技术：

2.近年来超导谐振电路实现量子计算的方向有了长足的发展，谷歌公司在2019年已经发布了53位超导量子芯片。目前的生产制备工艺还不能做到单个超导量子芯片中上百个超导量子比特的参数稳定、可控、一致，提高芯片制备的产品良率除了改变制作工艺还可以对量子比特局域进行修饰，从而改善芯片制备的产品良率。
3.量子比特局域修饰技术是通过对单个量子比特进行局域激光退火完成量子比特的频率参数的定向修饰，从而提高芯片的良品率。超导量子芯片中构成量子比特的重要单位是squid(超导量子干涉仪)，这是由两个约瑟夫森结组成的结构。在现有技术中，对量子比特局域修饰所使用的激光器发出的是高斯光束，其中，高斯光束的能量分布不均匀，局部能量大，在操作过程中，会造成退火不均匀，难以控制单个约瑟夫森结的退火参数，从而影响芯片制备的良率。因此，急需一种新的用于超导量子芯片的激光退火系统，能够使约瑟夫森结的退火更加均匀、可控，从而达到改善芯片制备的产品良率的效果。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供一种用于超导量子芯片的激光退火系统，解决了现有技术中利用退火系统对量子芯片进行退火的过程中，退火不均匀，难以控制单个约瑟夫森结的退火参数的问题，能够达到改善芯片制备的产品良率的效果。
5.本技术的技术方案如下：
6.一种用于超导量子芯片的激光退火系统，包括：激光光源、光学整形器件、物镜、承载器件；
7.所述激光光源，用于生成并输出高斯光束；
8.所述承载器件，用于承载一超导量子芯片；
9.所述光学整形器件，用于对所述高斯光束整形以输出平顶光束；
10.所述物镜，用于将所述光学整形器件输出的所述平顶光束传输至所述超导量子芯片以实现退火处理。
11.进一步的，所述激光光源包括固体激光发射器。
12.进一步的，所述固体激光发射器提供波长为532nm的所述高斯光束。
13.进一步的，所述光学整形器件为聚焦型平顶光束整形器，所述聚焦型平顶光束整形器用于输出所述平顶光束并聚焦所述平顶光束以获得所需大小的光斑。
14.进一步的，所述聚焦型平顶光束整形器输出的所述平顶光束的所述光斑的形状为圆形。
15.进一步的，所述激光退火系统还包括，
16.第一分光器件，设置于所述激光光源的出光侧，且用于分出所述高斯光束的第一部分和第二部分，其中，所述第一部分传输至光强检测器件，所述第二部分传输至光强控制器件；
17.所述光强检测器件，用于检测所述第一部分的光强度；
18.所述光强控制器件，与所述第一分光器件的输出端以及所述光强检测器件连接，用于基于所述光强检测器件的检测结果调整输出的所述高斯光束的光强度。
19.进一步的，所述激光退火系统还包括，
20.缩束器件，设置于所述光强控制器件和所述光学整形器件之间，用于调整所述光强控制器件输出的所述高斯光束的光束直径。
21.进一步的，所述激光退火系统还包括，
22.准直器件，设置于所述光学整形器件的出光侧，用于将所述光学整形器件输出的所述平顶光束进行准直，使所述平顶光束准直输出。
23.进一步的，所述缩束器件、所述光学整形器件、所述准直器件共光轴设置且基于所述光轴呈轴对称分布。
24.进一步的，所述激光退火系统还包括，
25.反射器件，设置于所述准直器件的出光侧，用于将所述准直器件出射的所述平顶光束反射至所述物镜。
26.与现有技术相比，上述技术方案提供的用于超导量子芯片的激光退火系统，包括：激光光源、光学整形器件、物镜、承载器件；所述激光光源，用于生成并输出高斯光束；所述承载器件，用于承载一超导量子芯片；所述光学整形器件，用于对所述高斯光束整形以输出平顶光束；所述物镜，用于将所述光学整形器件输出的所述平顶光束传输至所述超导量子芯片以实现退火处理。本技术提出的激光退火系统，能够使约瑟夫森结的退火更加均匀，能够较佳的控制单个约瑟夫森结的退火参数，从而达到改善芯片制备的产品良率的效果。
附图说明
27.图1为本实用新型实施例提出的一种用于超导量子芯片的激光退火系统的结构示意图；
28.图2为本实用新型实施例中高斯光束光源能量分布示意图；
29.图3为本实用新型实施例中平顶光束光源能量分布示意图；
30.图4为本实用新型实施例提出的一种用于超导量子芯片的激光退火系统的示例性结构示意图；
31.图5为本实用新型实施例提出的另一种用于超导量子芯片的激光退火系统的示例性结构示意图。
32.附图标记说明：10－激光光源；11－第一分光器件；12－光强检测器件；13-光强控制器件；14-缩束器件；15－光学整形器件；16－准直器件；17-反射器件；18-物镜；19-承载器件；20-快门；21-成像系统；22-第二分光器件。
具体实施方式
33.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能解释为
对本技术的限制。
34.在超导物理体系的量子计算中，基于约瑟夫森结的量子比特的频率取决于电容和结的隧穿电流，前者取决于电容的几何结构，因此比较容易控制，而后者取决于势垒层(一般为氧化层)的生长条件，往往会有一定的不均匀性。这就导致基于传统半导体工艺制备出的量子比特频率与期望值之间存在一定的偏差。量子比特局域修饰技术是通过对单个量子比特进行局域激光退火完成量子比特的频率参数的定向修饰，从而提高量子芯片的良品率。激光照射到量子芯片上的约瑟夫森结可以带来局域化的退火，通过改变约瑟夫森结的电阻将量子比特频率修正到期望值。在现有技术中，对量子比特局域修饰所使用的激光器发出的是高斯光束，如图2所示，高斯光束的能量分布不均匀，局部能量大，且难以较好的控制，在实际操作过程中，会造成退火不均匀，难以控制单个约瑟夫森结的退火参数，从而影响量子芯片制备的良率。
35.有鉴于此，本实用新型的实施例提供一种用于超导量子芯片的激光退火系统，能够使约瑟夫森结的退火更加均匀、可控，从而达到改善量子芯片制备的产品良率的效果。
36.如图1及图4所示，本技术的实施例提出的用于超导量子芯片的激光退火系统，包括：激光光源10、光学整形器件15、物镜18、承载器件19；激光光源10，用于生成并输出高斯光束；承载器件19，用于承载一超导量子芯片；光学整形器件15，用于对高斯光束进行整形以输出平顶光束；物镜18，用于将光学整形器件15输出的平顶光束传输至超导量子芯片以实现退火处理。
37.与现有技术的不同之处在于，本技术的实施例提出的用于超导量子芯片的激光退火系统，包括：激光光源10、光学整形器件15、物镜18、承载器件19；激光光源10，用于生成并输出高斯光束；承载器件19，用于承载一超导量子芯片；光学整形器件15，用于对高斯光束整形以输出平顶光束；物镜18，用于将光学整形器件15输出的平顶光束传输至超导量子芯片以实现退火处理。利用本技术的激光退火系统中的光学整形器件15可以实现将能量分布不均匀的高斯光束整形成能量分布均匀可控的平顶光束，从而能够使约瑟夫森结的退火更加均匀、可控，从而达到改善量子芯片制备的产品良率的效果，有效的解决了现有技术中，难以控制单个约瑟夫森结的退火参数的问题。
38.在本技术的一些实施方式中，为使激光光源10产生的高斯光束的能量波动较小，提高实际量子芯片退火过程的稳定性，激光光源10包括固体激光发射器。示例性的，固体激光发射器提供波长为532nm的高斯光束，波长为532nm的高斯光束能够达到量子芯片退火的要求。
39.结合图2及图3所示，与普通的高斯光束相比，平顶光束在光斑横截面内能量分布均匀，提高了激光的利用率，减少了能量损失，平顶光束的在量子芯片退火的过程的应用不仅能够使量子芯片的退火更加均匀可控，同时也有利于提升退火过程的效率。
40.值得说明的一点是，在本技术的实施例中，光学整形器件15为聚焦型平顶光束整形器，用于对高斯光束进行整形，将高斯光强分布的光束变换为平顶分布(top-hat形貌)，匀化光束焦斑的光强分布，控制并提高焦点处激光功率密度和能量利用率，进而将高斯光束整形为平顶光束，且不改变高斯光束的光路，聚焦型平顶光束整形器除了用于输出平顶光束，还能对平顶光束进行一定程度上的聚焦以获得量子芯片退火过程所需大小的光斑，提高退火过程的精确度，从而提升量子芯片制备的良率。
41.具体的，聚焦型平顶光束整形器输出的平顶光束的光斑的形状为圆形。圆形的光斑能够较为完整的覆盖待退火的约瑟夫森结，且在进行退火的过程中，能够较为均匀的对约瑟夫森结进行加热，从而能够较为精确的对量子比特的频率进行修正。
42.在一些其他的实施方式中，平顶光束的光斑的形状也可为环形，环形光束可以通过不直接照射(或暴露)约瑟夫森结来均匀地加热。通过加热结区附近的区域可以通过热传导均匀地加热约瑟夫森结300。这样利用环形光束加热的过程可以允许对约瑟夫森结进行更受控的加热，从而达到对量子比特频率的精确修正。
43.以上仅是示例性的列举几种较佳的平顶光束光斑的形状，在实际的量子芯片的退火过程中，还可以根据超导量子芯片的具体结构来进行选择，在此不做具体限制。通过控制光学整形器件15形成不同形状的光斑满足具体的要求，以此达到最佳的退火效果。
44.继续参考图1及图4，本技术的实施例提出的激光退火装置还包括，第一分光器件11、光强检测器件12以及光强控制器件13。
45.第一分光器件11设置于激光光源10的出光侧，用于分出高斯光束的第一部分和第二部分，其中，第一部分传输至光强检测器件12，第二部分传输至光强控制器件13；光强检测器件12，用于检测第一部分的光强度；光强控制器件13，与第一分光器件的输出端以及光强检测器件连接，用于基于光强检测器件的检测结果调整输出的高斯光束的光强度。在本技术的实施例中，激光光源10可选择532nm的激光器，功率至少2瓦，激光光源10一般功率稳定性在1％左右。激光光源10输出的高斯光束经过分光器件11分出第一部分到光强检测器件12上，用于实时检测光强度。光强控制器件13与光强检测器件12电连接，在接收到光强检测器件12的信号后实时调整光强度。光强控制器件13与光强检测器件12的设置可以将光功率稳定性提高至0.1％，高光功率稳定性是保持激光退火参数稳定性的重要指标。本领域技术人员可以理解的是，在本技术的实施例中，光强检测器件12可为光电传感器，在其他实施例当中，光强检测器件12还可为其它具有光强度检测功能的硬件，在此不做具体限制。
46.除此之外，本技术的实施例提出的激光退火系统还包括缩束器件14，缩束器件14设置于光强控制器件13和光学整形器件15之间，用于调整光强控制器件13输出的高斯光束的光束直径。在实际的量子芯片的退火系统中，光学整形器件15的光学入射口径相比较光强控制器件13输出的高斯光束的直径偏小，如果将光强控制器件13输出的高斯光束直接出射至光学整形器件15会导致部分光束的溃散，造成能量的损失，从而影响量子芯片退火的进程。有鉴于此，需要在光强控制器件13和光学整形器件15之间设置缩束器件14，用于将光强控制器件13输出的高斯光束的光束直径进行调整，以此适应光学整形器件15的光学入射口径，使得全部的高斯光束能够出射至光学整形器件15进行光束的整形。
47.高斯光束经过光学整形器件15进行整形能够得到能量分布较为均匀的平顶光束，为了能够得到光束更为集中的平顶光束，本技术实施例提供的激光退火系统还包括准直器件16，准直器件16设置于光学整形器件15的出光侧，用于将光学整形器件15输出的平顶光束进行准直，使平顶光束准直输出。在实际的操作过程中，光学整形器件15输出的平顶光束会有一定程度上的发散，利用准直器件16对发散的平顶光束进行准直，在实际的操作中，根据需要的平顶光束直径选择具有合适焦距的准直器件16并调节位置，得到准直度较好并具有所需光束直径的平顶光束后固定准直器件16。
48.具体的，准直器件16可为聚焦透镜，在实际的退火操作过程中，可以根据实际需求
选择合适焦距的聚焦透镜，使用聚焦透镜作为准直器件16的可选择空间大，且聚焦透镜准直效果较好，成本较为低廉，不会造成额外的经济负担。
49.作为一种优选的方案，光学整形器件15与准直器件16可以根据实际需求调换位置，在本技术的实施例中，准直器件16设置于光学整形器件15的出光侧，在其他的实施方式中，光学整形器件15也可设置于准直器件16的出光侧，可以根据实际需求进行选择，以此达到更好的光束调整效果。
50.值得说明的一点是，在本技术的实施例中，缩束器件14、光学整形器件15、准直器件16共光轴设置且基于光轴呈轴对称分布，此种分布方式，能够最大程度上得到分布均匀的光束，从而得到能量分布更为均匀可控的平顶光束用于量子芯片的退火，达到提高量子芯片制备良率的效果。
51.本技术的实施例提出的激光退火系统还包括反射器件17，反射器件17设置于准直器件16的出光侧，用于将准直器件16出射的平顶光束反射至物镜18。在实际的激光退火系统中，物镜18与承载器件19位于光束的下方，因此还需要反射器件17将准直器件16出射的平顶光束反射至物镜18的光学入射口，以此进行量子芯片的退火过程。
52.具体的，反射器件17采用45
°
全反射镜。45
°
全反射镜在整个激光退火系统中所占空间较小，并且能够使整个激光退火系统的结构更加紧凑，同时，45
°
全反射镜对于激光反射的效果较好，不会造成激光的能量损耗，且价格较为低廉。
53.如图5所示，作为本技术实施例的另一种实施方式，本技术所提出的激光退火系统包括但不限于以上描述的器件或结构，在本实施方式中，激光退火系统还包括快门20、成像系统21，可以理解的是，设置的快门20便于控制激光退火的启停，成像系统21便于寻找约瑟夫森结、确定退火点和进行其他观测，同时在本实施方式中，将反射器件17替换成第二分光器件22，第二分光器件22用于将准直器件16出射的平顶光束按比例进行分光，分成第一平顶光束和第二平顶光束，第一平顶光束传输至成像系统21，第二平顶光束经物镜7传输至量子芯片9并完成针对约瑟夫森结的退火处理。
54.综上所述，本实用新型提供的一种用于超导量子芯片的激光退火系统，包括：激光光源10、光学整形器件15、物镜18、承载器件19；所述激光光源10，用于生成并输出高斯光束；所述承载器件19，用于承载一超导量子芯片；所述光学整形器件15，用于对所述高斯光束整形以输出平顶光束；所述物镜18，用于将所述光学整形器件15输出的所述平顶光束传输至所述超导量子芯片以实现退火处理。本技术提出的激光退火系统，能够使约瑟夫森结的退火更加均匀，能够较佳的控制单个约瑟夫森结的退火参数，从而达到改善芯片制备的产品良率的效果。
55.以上依据图式所示的实施例详细说明了本技术的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本技术的较佳实施例，但本技术不以图面所示限定实施范围，凡是依照本技术的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本技术的保护范围内。