阅读说明：本技术 一种二能级缺陷空间分布的测量方法及测量装置 (Method and device for measuring spatial distribution of two-level defects ) 是由 冯加贵 武彪 熊康林 孙骏逸 黄永丹 丁孙安 陆晓鸣 芮芳 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种二能级缺陷空间分布的测量方法及测量装置,该二能级缺陷空间分布的测量方法包括：对超导量子比特施加偏置磁场,并获取所述超导量子比特的频率-偏置磁通的关系曲线；通过二能级缺陷空间分布的测量装置的扫描探针输出的局域扫描电场对超导量子比特表面逐点扫描；若所述超导量子比特的频率随着时间的变换存在震荡变化,则所述扫描探针所处扫描点存在二能级缺陷。本实施例提供一种二能级缺陷空间分布的测量方法及测量装置,以表征超导量子芯片中的二能级缺陷的空间分布情况。(The invention discloses a method and a device for measuring the spatial distribution of two-level defects, wherein the method for measuring the spatial distribution of the two-level defects comprises the following steps: applying a bias magnetic field to the superconducting qubit and obtaining a frequency-bias magnetic flux relation curve of the superconducting qubit; scanning the surface of the superconducting qubit point by a local scanning electric field output by a scanning probe of a measuring device for spatial distribution of the two-level defects; and if the frequency of the superconducting qubit has oscillation change along with the change of time, a scanning point where the scanning probe is located has a two-level defect. The present embodiment provides a method and an apparatus for measuring spatial distribution of two-level defects, so as to characterize spatial distribution of two-level defects in a superconducting quantum chip.)

一种二能级缺陷空间分布的测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及超导量子芯片技术领域，尤其涉及一种二能级缺陷空间分布的测量方法及测量装置。

背景技术

超导量子计算以电路量子电动力学为理论基础，采用超导约瑟夫森结制备非谐振量子振荡电路形成量子比特，利用平面电容、平面超导微波谐振器来实现量子比特间的耦合、量子比特的操控和非破坏性读写。与其他量子比特的物理实现不同，超导量子比特的共振频率、比特间耦合强度等工作参数可通过改变约瑟夫森结和平面超导微波器件的几何参数可控的调节。此外，超导量子芯片的制备和传统材料生长工艺、半导体器件加工工艺、微加工工艺、微波器件封装工艺兼容，因此其制备研究和综合性能都处于量子计算领域的领先地位，是最有希望实现商业化应用的量子计算体系。

目前超导量子计算在国际上得了广泛关注，这使得超导量子芯片的研究规模在近几年取得了较大进展，然而限制其性能的相干时间并没有获得突破性的提升，经过长期的实验研究得知，超导量子芯片材料以及相关表界面上的悬挂键、极性分子、磁性分子、晶体缺陷等会形成等效的量子“二能级系统”；这些二能级系统和操控量子比特的微波光子耦合，引起量子比特的能量耗散和相位退相干，探测超导量子芯片的二能级缺陷并通过各种参量调控避免超导量子芯片制备过程中二能级缺陷的并入是目前超导量子芯片的发展瓶颈。

发明内容

本发明实施例提供了一种二能级缺陷空间分布的测量方法及测量装置，以表征超导量子芯片中的二能级缺陷的空间分布情况。

第一方面，本发明实施例提供了一种二能级缺陷空间分布的测量方法，包括：

对超导量子比特施加偏置磁场，并获取所述超导量子比特的频率-偏置磁通的关系曲线；

通过二能级缺陷空间分布的测量装置的扫描探针输出的局域扫描电场对超导量子比特表面逐点扫描；

若所述超导量子比特的频率随着时间的变换存在震荡变化，则所述扫描探针所处扫描点存在二能级缺陷。

第二方面，本发明实施例还提供了一种二能级缺陷空间分布的测量装置，适用于本发明任意实施例提供的二能级缺陷空间分布的测量方法，所述二能级缺陷空间分布的测量装置包括：偏置磁场产生设备、二能级缺陷的测量设备和处理器；

所述二能级缺陷的测量设备包括扫描探针，所述扫描探针输出的局域扫描电场用于对所述超导量子比特表面逐点扫描；

所述偏置磁场产生设备用于对超导量子比特施加偏置磁场，所述处理器用于获取所述超导量子比特的频率-偏置磁通的关系曲线；

所述处理器还用于在测量到所述超导量子比特的频率随着时间的变换存在震荡变化时，判断所述扫描探针所处扫描点存在二能级缺陷。

本实施例中，通过二能级缺陷空间分布的测量装置的扫描探针对超导量子比特表面的多个扫描点逐个施加局部扫描电场，与此同时，对超导量子比特施加偏置磁场，并获取超导量子比特的频率-偏置磁通的关系，如果超导量子比特的能量存在震荡变换，则说明超导量子比特系统和二能级缺陷系统之间产生了共振，从而表明扫描探针所处扫描点存在二能级缺陷，则本实施例通过二能级缺陷空间分布的测量装置对超导量子比特表面逐点进行扫描，则可对二能级缺陷在超导量子比特的表面的空间分布进行表征，便于对超导量子芯片材料器件制备过程中双能级缺陷的引入情况进行探索，从而不断优化材料制备和器件工艺参数，以减小超导量子比特制备过程中二能级缺陷的并入。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种二能级缺陷空间分布的测量方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种量子隧穿的二能级缺陷模型示意图；

图3是本发明实施例提供的一种可调量子比特在不同偏置磁场下的性能表征图；

图4是本发明实施例提供的另一种二能级缺陷空间分布的测量方法的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的一种二能级缺陷空间分布的测量装置的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种扫描探针的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

传统的技术虽然证实了超导量子芯片中存在二能级缺陷，且二能级缺陷受到电场和应力的调控，同时通过芯片的设计和统计，发现二能级缺陷主要分布在超导量子芯片的介电材料，以及与介电材料相关的表界面上，并无法明确获取超导量子芯片中二能级缺陷的空间分布和具体设置位置。例如，二能级缺陷分布在超导量子芯片表面的位置点，分布密度大的区域，以及分布密度小的区域等这些参数均无法获知。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种二能级缺陷空间分布的测量方法，如图1所示，图1是本发明实施例提供的一种二能级缺陷空间分布的测量方法的流程示意图，二能级缺陷表征方法包括：

S110、对超导量子比特施加偏置磁场，并获取超导量子比特的频率-偏置磁通的关系曲线。

S120、通过二能级缺陷空间分布的测量装置的扫描探针输出的局域扫描电场对超导量子比特表面逐点扫描。

二能级缺陷指的是原子、原子团、电子、自旋、小分子等在两个最小能量位置之间跳跃形成的具有两个特征能级的量子体系。他们普遍存在于非晶材料中，有缺陷的晶体材料以及晶体材料的表界面，则在超导量子芯片制备的过程中，二能级缺陷容易随制备材料和工艺参数并入超导量子芯片中，并形成在超导量子芯片的表面，尤其是介电材料的表界面，介电材料是指在外电场作用下能发生极化、电导、损耗和击穿等现象的材料，则介电材料中很容易出现二能级缺陷。

为便于对二能级缺陷进行理解，可用两个能量接近且能发生隧穿的双势井来描述二能级缺陷。如图2所示，图2是本发明实施例提供的一种量子隧穿的二能级缺陷模型示意图，图2中示出了能量-位置之间的关系曲线图，图2中存在两个势井，即势井A和势井B，二能级缺陷的能级间距取决于两个势井A和B之间的非对称能ε和隧穿能量△0。非对称能ε指的是两个势井之间的能量差值，隧穿能量△0指的是微观粒子由势井A隧穿至势井B，或者由势井B隧穿至势井A的所需要的隧穿能量△0。非对称能ε远大于隧穿能量△0时，左右两个势井能够很好的限制住各自的的本征态，即两个势井相对较为稳定；当非对称能ε接近零时，两个势井之间的本征态波函数发生交叠，形成两个具有一定能级间距的新能态，如图2中示出的新能态ψ+和ψ-。两个新能态之间的能量差为

超导量子比特的发展为研究材料的二能级缺陷提供了更多的机会，因为二能级缺陷和超导量子比特发生共振的时候，可通过检测超导量比特的频谱变化来探测双能级缺陷，甚至可以控制和观察二能级缺陷的量子态动力学。为了确认二能级缺陷在超导量子芯片上的分布，可通过二能级缺陷空间分布的测量装置的扫描探针对超导量子比特表面进行通过施加局部扫描电场进行扫描。可选的，扫描点均匀地分布至超导量子比特的表面，则可对超导量子比特表面进行均匀扫描，便于提高获取的二能级缺陷的分布的准确性。本实施例可对各种材料的介电损耗进行预估，二能级缺陷存在越多，介电损耗越大，一般情况下，非晶材料的介电损耗远远大于单晶材料，则非晶材料的二能级缺陷的分布量大于单晶材料的二能级缺陷的分布量。

如图3所示，图3是本发明实施例提供的一种可调量子比特在不同偏置磁场下的性能表征图。图3(a)是超导量子比特的频率-偏置磁通的关系图，即可调量子比特的频域表征，由图3(a)可知，在偏置磁通的连续调控下，量子比特的特征频谱会发生连续的变化，这种超导量子比特用一个时长较长的微波脉冲激励之后，就可以测量超导量子比特的激发态概率，从而得到可调控超导量子比特的特征谱线，如图3所示。当超导量子比特的特征谱和附近的双能级缺陷接近时，两个双能级量子体系就会发生共振产生***共振峰，即超导量子比特测量过程中的避免水平交叉；图3(b)是超导量子比特的频率-时间的关系图，即可调量子比特的时域表征，在超导量子比特测量过程中，可通过一个π微波脉冲将超导量子比特激励到激发态，经过△t时间的调制，将其频率调制到一个变化的可探测频段，然后监测其频谱随时间的变化。参考图3(b)，孤立的超导量子比特只表现出简单的能量弛豫，显示指数衰减，如曲线L1所示，而若超导量子比特和二能级缺陷有相互作用并产生共振，则是能量在超导量子比特系统和二能级缺陷系统之间重新分配，显示出震荡形成，如曲线L2所示。

局部扫描电场逐个扫描扫描点时，在每一个扫描点停留微秒量级，在这段时间内探测超导量子比特的频域和时域的谱线，若能探测到它们的变化，则证明此处存在一个可与超导量子比特共振的二能级缺陷，从而实现二能级缺陷的空间分布表征，最后可以通过电场模拟进一步确认表征结果的准确性。

S130、若超导量子比特的频率随着时间的变换存在震荡变化，则扫描探针所处扫描点存在二能级缺陷。

同时，因为二能级缺陷类似于一个电偶极矩，可通过局部扫描电场来调制二能级缺陷的能级间距，从而对二能级缺陷的能量进行调整。本实施例中，可固定局部扫描电场，仅控制超导量子比特的偏置磁场，使得超导量子比特系统和二能级缺陷系统产生共振，或者，可以固定超导量子比特的偏置磁场，调节局部扫描电场进行变化，从而使得超导量子比特系统和二能级缺陷系统产生共振，或者，同时调整局部扫描电场和偏置磁场。无论上述哪种方式，均能够通过扫描探针输出的局部扫描电场和超导量子比特的偏置磁场获取二能级缺陷的位置和分布规律，从而在后续超导量子芯片的制备过程中减少二能级缺陷的产生，防止二能级缺陷引起的超量量子比特的能量耗散和相位退相干。

本发明实施例中，通过二能级缺陷空间分布的测量装置的扫描探针对超导量子比特表面的多个扫描点逐个施加局部扫描电场，与此同时，对超导量子比特施加偏置磁场，并获取超导量子比特的频率-偏置磁通的关系，如果超导量子比特的能量存在震荡变换，则说明超导量子比特系统和二能级缺陷系统之间产生了共振，从而表明扫描探针所处扫描点存在二能级缺陷，则本实施例通过二能级缺陷空间分布的测量装置对超导量子比特表面逐点进行扫描，则可对二能级缺陷在超导量子比特的表面的空间分布进行表征，便于对超导量子芯片材料器件制备过程中双能级缺陷的引入情况进行探索，从而不断优化材料制备和器件工艺参数，以减小超导量子比特制备过程中二能级缺陷的并入。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为了保证局部扫描电场的局限性且在偏压下引起的隧穿电流极小，可将扫描探针与超导量子比特表面的距离控制在纳米量级，可选的，扫描探针与扫描点之间的垂直距离的范围为50～150nm。示例性的，可控制扫描探针与扫描点之间的垂直距离的范围为100nm。

同理，为了保证局部扫描电场的局限性且在偏压下引起的隧穿电流极小，可选的，扫描探针的电压范围可以为50～200mV。示例性的，可控制扫描探针与扫描点之间的垂直距离的范围为100mV。

参考图4，图4是本发明实施例提供的另一种二能级缺陷空间分布的测量方法的流程示意图，本示例在上述实施例的基础上，将存在二能级缺陷的扫描点的位置进行绘制，获取超导量子比特的二能级缺陷的空间分布图，具体的，如图4所示，二能级缺陷空间分布的测量方法包括：

S210、将超导量子比特和二能级缺陷空间分布的测量装置置于温度小于第一温度阈值的环境内。

在通过二能级缺陷空间分布的测量装置的扫描探针对超导量子比特表面的多个扫描点逐个施加局部扫描电场之前，本实施例还可以将超导量子比特和二能级缺陷空间分布的测量装置置于温度小于第一温度阈值的环境内，即将二能级缺陷的测量环境的温度设置为小于第一温度阈值。值得注意的是，能级间距对应有一个热力学温度，当测量环境高于该热力学温度时，热涨落引起能级展宽，导致某些二能级缺陷不能被检测到。所以控制测量环境的温度设置为小于第一温度阈值，以增强二能级缺陷测量的准确性。可选的，第一温度阈值可小于或等于50mk。当测量环境的温度小于或等于50mk时，能有效获取二能级缺陷的分布位置，提高二能级缺陷测量的准确性。

S220、对超导量子比特施加偏置磁场，并获取超导量子比特的频率-偏置磁通的关系曲线。

S230、通过二能级缺陷空间分布的测量装置的扫描探针输出的局域扫描电场对超导量子比特表面逐点扫描。

S240、若超导量子比特的频率随着时间的变换存在震荡变化，则扫描探针所处扫描点存在二能级缺陷。

S250、将存在二能级缺陷的扫描点的位置进行绘制，获取超导量子比特的二能级缺陷的空间分布图。

当获取各个二能级缺陷所在位置点时，可将各个位置点即存在二能级缺陷的扫描点的位置，进行绘制和显示，从而将超导量子比特的二能级缺陷的空间分布进行展示，便于用户对二能级缺陷的空间分布进行研究，从而获取二能级缺陷的空间分布规律，从而在超导量子芯片的生产过程中，减少双能级缺陷的引入，提高超导量子芯片的性能和超导量子比特的退相关时间，推动可扩展超导量子计算机的发展。

本实施例中，通过控制二能级缺陷的测量环境，以及对二能级缺陷的空间分布图进行绘制，能够获取精准的二能级缺陷的分布，有利于不断优化材料制备和器件工艺的相关参量，减少这些过程中双能级缺陷的并入，提高超导量子芯片的性能和超导量子比特的相干时间。

基于同一构思，本发明实施例还提供一种二能级缺陷空间分布的测量装置。适用于本发明任意实施例提供的二能级缺陷空间分布的测量方法，图5是本发明实施例提供的一种二能级缺陷空间分布的测量装置的结构示意图，如图5所示，本实施例的二能级缺陷空间分布的测量装置包括：偏置磁场产生设备11、二能级缺陷的测量设备12和处理器13；

偏置磁场产生设备11用于对超导量子比特施加偏置磁场，处理器13用于获取超导量子比特的频率-偏置磁通的关系曲线；

二能级缺陷的测量设备12包括扫描探针121，扫描探针121用于对超导量子比特表面的多个扫描点逐个局部扫描电场；

处理器13还用于在测量到超导量子比特的能量随着时间的变换存在震荡变化时，判断扫描探针121所处扫描点存在二能级缺陷。

本发明实施例中，通过二能级缺陷空间分布的测量装置的扫描探针对超导量子比特表面的多个扫描点逐个施加局部扫描电场，与此同时，对超导量子比特施加偏置磁场，并获取超导量子比特的频率-偏置磁通的关系，如果超导量子比特的能量存在震荡变换，则说明超导量子比特系统和二能级缺陷系统之间产生了共振，从而表明扫描探针所处扫描点存在二能级缺陷，则本实施例通过二能级缺陷空间分布的测量装置对超导量子比特表面逐点进行扫描，则可对二能级缺陷在超导量子比特的表面的空间分布进行表征，便于对超导量子芯片材料器件制备过程中双能级缺陷的引入情况进行探索，从而不断优化材料制备和器件工艺参数，以减小超导量子比特制备过程中二能级缺陷的并入。

在上述实施例的基础上，参考图6，图6是本发明实施例提供的一种扫描探针的结构示意图，扫描探针121可以包括：中心金属层121a、绝缘层121b和表面金属层121c；绝缘层121b包覆中心金属层121a设置；表面金属层121c包覆绝缘层121b设置；中心金属层121a与恒压源正极电连接，表面金属层121c与恒压源负极电连接。

图6中同样示出了超导量子芯片14的结构示意图，超导量子芯片14可以包括介电材料142和超导材料141，超导材料141设置有图案结构，使得，超导量子芯片14的表面包括超导材料141表面和介电材料142界面，但是图6中未示出超导量子比特以及微波测量接线的具体细节并未示出。带电场的扫描探针121由三层结构组成：中心金属层121a、绝缘层121b和表面金属层121c，本实施例中的扫描探针可以通过传统的半导体未加工工艺制备，中心金属层121a接恒压源正极，用于携带局部扫描电场，表面金属层121c接恒压源负极并接地，用于和绝缘层121b一起防止局部扫描电场的泄露。可选的，扫描探针121与超导量子芯片14的垂直距离的范围为50～150nm，扫描探针121的中心金属层121a所连电压值为50～200mV，用于保证局部扫描电场的局域性且在偏压下引起的隧穿电流极小。

可选的，中心金属层121a的直径范围为100-500nm，保证局部扫描电场的局域性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。