多模式超导腔谐振器

多模式超导腔谐振器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术根据35 u.s.c.
§
119(e)要求2021年2月18日提交的标题为“multimode microwave resonators”的美国临时专利申请第63/150,955号的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入于此。
3.政府资助
4.本发明是在由美国陆军研究局授予的w911nf-18-1-0212下由政府支持进行的。政府拥有本发明的某些权利。


背景技术：

5.高品质因子超导谐振器因其长寿命而成为量子计算的有用资源。量子计算的一些方法将超导谐振器的模式耦合至量子比特，例如传输子(transmon)量子比特，从而通过谐振器与量子比特的交互提供对谐振器状态的通用量子控制。超导谐振器可以连接至具有低损耗传输线的网络中，从而得到模块化和可扩展的量子计算方法。


技术实现要素：

6.根据一些方面，提供了一种电磁谐振器，该电磁谐振器包括：超导微波腔；以及悬置在腔内并由腔机械支承的谐振结构，该谐振结构包括自由悬置在腔内的至少一个端部。
7.根据一些实施方式，谐振结构包括：第一部，其从腔的第一侧延伸至腔的第二侧，第二侧与第一侧相对；以及第二部，其从第一部延伸并且包括自由悬置在腔内的至少一个端部。
8.根据一些实施方式，谐振结构包括电介质衬底。
9.根据一些实施方式，电介质衬底包括蓝宝石和/或硅。
10.根据一些实施方式，谐振结构包括涂覆电介质衬底的超导材料薄膜。
11.根据一些实施方式，薄膜完全覆盖电介质衬底。
12.根据一些实施方式，超导材料包括铝。
13.根据一些实施方式，该方法还包括布置在腔内的非线性超导元件。
14.根据一些实施方式，非线性超导元件包括至少一个约瑟夫森结。
15.根据一些实施方式，非线性超导元件是传输子量子比特。
16.根据一些实施方式，谐振结构经由一个或更多个电介质元件耦接至腔。
17.根据一些实施方式，谐振结构接触腔。
18.根据一些实施方式，谐振结构是平面的。
19.根据一些实施方式，谐振结构包括下元件和上元件，该上元件布置在下元件上方，并通过电介质材料与下元件分开。
20.根据一些实施方式，下元件包括圆形部，并且其中，自由悬置在腔内的至少一个端部布置在圆形部内。
21.根据一些实施方式，上元件和下元件都是平面的。
22.根据一些方面，提供了一种使用电磁谐振器表征第一材料的方法，其中，该谐振结构包括第一材料，该方法包括：测量电磁谐振器的至少一个内部品质因子；以及至少部分地基于所测量的至少一个内部品质因子来确定第一材料的至少一个材料特性。
23.根据一些实施方式，至少一个材料特性包括以下中的一个或更多个：表面电阻、损耗正切和接缝电导。
24.根据一些实施方式，该方法还包括：测量与电磁谐振器的第一类型模式相对应的第一内部品质因子；以及测量与电磁谐振器的第二类型模式相对应的第二内部品质因子。
25.上述设备和方法实施方式可以通过上面所述或下面进一步详细描述的方面、特征和动作的任何合适组合实现。从以下结合附图的描述中，可以更全面地理解本教导的这些和其他方面、实施方式和特征。
附图说明
26.将参照以下附图描述各个方面和实施方式。应当理解，附图不一定是按比例绘制的。在附图中，各个图中示出的每个相同或几乎相同的部件由相同的附图标记表示。为了清楚起见，不是每个部件都会在每个附图中标记。
27.图1a至图1b描绘了根据一些实施方式的说明性电磁谐振器的不同视图；
28.图2示出了根据一些实施方式的电磁谐振器的谐振结构的制造工艺；
29.图3是根据一些实施方式的布置在超导微波腔的一部分内的说明性谐振结构的照片；
30.图4是根据一些实施方式的操作电磁谐振器以确定材料的材料特性的方法的流程图；
31.图5a是根据一些实施方式的包括双层谐振结构的说明性电磁谐振器的分解图；
32.图5b是根据一些实施方式的图5a中所示的双层谐振结构的平面图；
33.图6a至图6c描绘了根据一些实施方式的图5a和图5b中所示的电磁谐振器的不同类型的谐振模式；以及
34.图7a至图7b分别描绘了根据一些实施方式的包括非线性元件的说明性电磁谐振器的分解图和截面平面图。
具体实施方式
35.改进包括超导谐振器的量子计算机的性能的一种方法是降低谐振器中的损耗。超导谐振器损耗能量的原因有许多，包括来自组成材料的损耗和来自耦接至传输线的端口的损耗。
36.与其他类型的电磁谐振器相比，由超导腔形成的电磁谐振器通常具有更好的相干性，部分原因是它们的表面积与体积之比较小，这使得它们对表面电介质损耗和/或导体损耗相对不敏感。已经展示了包含少量腔作为量子存储器的小规模量子装置。然而，腔谐振器有一些重要的缺点。首先，超导腔谐振器通常由有限范围的可用材料和制造工艺形成，并且大部分使用机械加工工艺由块状超导体制成。这种限制妨碍了高品质材料，例如生长在原始单晶衬底上的高品质超导薄膜或单晶超导体的使用，从而限制了对谐振器相干性的改进。另外，超导腔谐振器中的模式结构和电磁场分布是腔的形状的结果，这限制了可以制造
的谐振器的类型。
37.发明人已经认识到并理解了通过在超导腔内布置谐振结构来构造电磁谐振器的技术。该设计的架构可以提供表现出多种模式的低损耗超导腔谐振器。这种谐振器的多模式性质部分地是由谐振结构以这样的方式产生的，该方式允许谐振器的模式通过调节谐振结构来调节，而不是如传统超导腔谐振器中另外需要的那样通过必须改变腔的物理尺寸来调节。在一些实施方式中，谐振结构可以包括包含金属和/或金属化部分的悬置超导体。
38.根据一些实施方式，谐振结构可以布置在超导腔内，并悬置在腔内的开口上方，其中谐振结构的端部由腔机械支承。在一些情况下，谐振结构的端部可以使用一个或更多个紧固件附接至腔。这种紧固件可以是可移除的，使得不同的谐振结构可以插入同一腔以及从同一腔中移除。
39.根据一些实施方式，谐振结构可以完全由金属形成，或者可以具有完全金属化表面。在这种情况下，谐振结构可以被成形为具有至少一个自由端部，所述至少一个自由端部在腔内不受支承。一些传统的谐振器设计可以利用悬置在腔内的直带状线，然而在这种设计中，将带状线完全金属化将使其变成传输线。根据本公开内容的一些实施方式，完全由金属形成或者具有完全金属化表面的谐振结构可以通过具有如下自由端部的谐振结构以谐振行为成功地进行操作，该自由端部允许电压在谐振结构的悬置端部处为零。
40.根据一些实施方式，如本文中所述的电磁谐振器可以提供用于存储量子信息的高品质存储器。一般来说，传统的超导腔可能具有长的相干时间，但是受限于单一材料/工艺组合和单一频率。根据一些实施方式，如本文中所述的电磁谐振器的谐振结构可以由不同的材料制成以及/或者使用与腔不同的工艺形成，潜在地改进了其品质(例如，增加了谐振器的品质因子(“q因子”))，并且还允许将谐振结构切换为另一个谐振结构，以产生具有不同频率的谐振器，而不需要制造全新的腔。
41.根据一些实施方式，如本文中所述的电磁谐振器可以包括表现出多种类型的谐振模式的谐振结构。特别地，谐振结构可以表现出不同类型的模式，即具有不同谐振行为(例如不同的电磁场分布)的模式，而不仅仅是具有不同谐振频率的模式。这种谐振器可以在这些模式中的每一种模式下操作，以产生取决于谐振结构和/或腔的材料(以及在一些情况下，腔内的其他材料)的材料特性的测量。因此，这种类型的谐振器可以用于表征材料。
42.根据一些实施方式，电磁谐振器的腔内的谐振结构可以提供一种调整谐振器的模式结构和/或电磁场分布的方法。例如，波长等于2l的半波谐振器可以通过将由长度为l的金属带形成的谐振结构悬置在腔中来形成。另一个示例是通过在腔中由两个接近的分开的元件形成谐振结构来限制电磁场。通过设计部件的配置，可以实现更复杂的模式结构和场分布。
43.根据一些实施方式，谐振结构可以包括任何可以微机械加工(例如，经由精密机械加工、激光切割、蚀刻等)的一种或多种材料。例如，材料可以包括通过精密机械加工形成的块状超导体和/或通过激光切割形成的单晶超导体。另外或替选地，谐振结构可以包括单晶电介质衬底，单晶电介质衬底通过激光切割和/或蚀刻，随后是薄膜蒸发(电子束、溅射等)形成以用一种或多种在工作温度下超导的材料覆盖部件。这种方法不仅创造了获得高品质超导材料的机会，而且还可以避免使用任何可能使材料品质劣化的纳米制造工艺。
44.根据一些实施方式，如果谐振结构由电介质材料保持和/或包含暴露的电介质，如
果没有适当地设计电介质，则电介质可能会引起额外的损耗。然而，发明人已经认识到并理解了解决这个问题的技术，如下所述。因为电介质损耗至少部分是由于电介质材料中电场的吸收，所以可以通过在超导体腔谐振器的模式的电场节点处布置电介质来抑制或甚至消除电介质损耗。这种策略可以提供一种在不牺牲相干性的情况下构建复杂的三维谐振结构的方法。
45.本文中所述的超导体腔谐振器的设计的上述优点中的任何一个或更多个可以得到用于构建具有高相干性的复杂量子装置的谐振器。
46.以下是与通过在超导腔内布置谐振结构来构造电磁谐振器的技术相关的各种概念和实施方式的更详细描述。应当理解，本文中描述的各个方面可以以多种方式中的任一种来实现。在本文中提供了具体实现的示例仅仅是出于说明性目的。另外，以下实施方式中描述的各个方面可以单独使用或以任何组合使用，并且不限于本文中明确描述的组合。
47.图1a至图1b描绘了根据一些实施方式的说明性电磁谐振器的不同视图。在图1a至图1b的示例中，谐振器100包括由上部101和下部102形成的超导腔。在腔内，谐振结构110被布置，悬置在腔的下部中的开口上方。谐振结构110具有十字形状，包括经由电介质材料120由腔机械支承的端部111和112以及悬置在腔内的两个自由端部113和114。图1b描绘了腔的下部和谐振结构的平面图，而图1a描绘了穿过图1b中所示的截面a-a'的腔的上部和下部的分解图。腔的下部102的不同平坦表面103和104在图1b中用不同的阴影示出，仅仅是为了在附图中视觉上区分它们。
48.在电磁谐振器100的操作期间，可以激发电磁谐振器的一种或更多种谐振模式(例如，通过使用耦接至谐振器的传输线将适当的电磁信号输送至腔中)。应当注意，与机械谐振器不同，电磁谐振器100的谐振模式涉及电磁辐射的模式。因此，谐振结构110可以被理解为在操作期间是静止的(例如，与在操作期间振动的机械谐振器不同)。
49.在图1a至图1b的示例中，腔102可以包括超导材料，或者可以由超导材料组成。如本文中所指，超导材料可以指当冷却至临界温度以下时表现出超导行为(即，在零电阻的情况下承载电流)的任何材料。超导材料的合适示例可以包括铝、铌、包括例如6061铝和5n5铝的各种铝合金、铅、掺杂碳化硅和铌钛合金。在一些实施方式中，腔102可以是微波腔。
50.根据一些实施方式，腔的每一个部101和102可以具有配合表面，该配合表面已经被机械加工或以其他方式处理为光滑，使得在组装谐振器时，这些部无间隙地配合在一起。例如，如图1a中所示的上部101的最下表面和下部102的最上表面可能已经被抛光、金刚石车削或以其他方式制造为光滑。根据一些实施方式，腔的每一个部101和102可以包括用于连接器的孔，以将这两个部接合在一起(例如，用于螺栓的螺纹孔)。
51.在图1a至图1b的示例中，谐振结构110可以包括超导材料，或者可以由超导材料组成，包括上述那些示例。在一些实施方式中，谐振结构110可以包括金属，或者可以由金属组成。在一些实施方式中，谐振结构110可以由衬底(例如，电介质衬底)形成，金属已经沉积至该衬底上(例如，衬底可以被金属化)。例如，超导材料可以沉积至诸如蓝宝石或硅的衬底的表面上，以形成谐振结构110。在一些实施方式中，这样的金属化结构可以在所有表面上金属化，产生完全金属化的谐振结构。如下面进一步描述的金属化工艺可以具有这样的优点，在谐振器100中可以利用另外对于仅由腔形成的谐振器不可用的某些材料。例如，期望用于谐振器的一些材料可以容易地形成为衬底上的薄膜，而使用这些材料经由常规机械加工制
造腔可能是困难的或不可能的。
52.根据一些实施方式，谐振结构可以包括沉积在衬底上方的薄膜，其中薄膜的厚度大于或等于1nm、大于或等于10nm、大于或等于100nm、大于或等于500nm、大于或等于1μm、大于或等于5μm或者大于或等于10μm。根据一些实施方式，谐振结构可以包括沉积在衬底上方的薄膜，其中薄膜的厚度小于或等于50μm、小于或等于10μm、小于或等于5μm、小于或等于1μm、小于或等于500nm、小于或等于100nm或者小于或等于10nm。上面提到的范围的组合也是可能的(例如，薄膜的厚度大于或等于500nm且小于或等于1μm)。
53.根据一些实施方式，谐振结构110可以布置成使得端部111和112位于腔101/102的电场节点处。电场节点可以通过分析腔内部空间的形状(例如，经由模拟)，和/或经由在操作期间测量腔来确定。
54.如上所述，谐振结构可以成形为具有至少一个自由端部，所述至少一个自由端部在腔内不受支承。在图1a至图1b的示例中，谐振结构110包括两个这样的自由端部113和114，但是可以设想包括单个自由端部的其他谐振结构。另外，也可以设想比谐振结构110的示例更复杂的形状。在一些实施方式中，谐振结构110可以是平面的，如图1a至图1b的示例中所示，但是也可以考虑非平面的形状。
55.根据一些实施方式，谐振结构110可以包括多个分开的元件，这些元件可以彼此靠近布置(例如，其中一个元件布置在另一个元件上方)。在一些情况下，谐振结构的多个元件可以全部由腔101/102机械支承，无论是在相同的支承位置还是在不同的支承位置。在一些情况下，谐振结构的多个元件可以布置为一个元件布置在另一个元件上方，并且其中间隔件(例如，电介质间隔件)布置在元件之间。
56.根据一些实施方式，电磁谐振器100可以包括在腔101/102内的多个不同的谐振结构。这些谐振结构可以彼此分离，并且可以由腔单独支承。例如，腔的下部102可以被布置成支承彼此并排布置的谐振结构110的多个实例。由于谐振结构110悬置在腔101/102内的方式，以这种方式包括多个结构可以允许用常规机械加工技术难以或不可能产生的谐振器几何形状。
57.根据一些实施方式，谐振结构110从端部111至端部112的长度可以大于或等于10mm、大于或等于20mm、大于或等于30mm、大于或等于40mm或者大于或等于50mm。根据一些实施方式，谐振结构110从端部111至端部112的长度可以小于或等于100mm、小于或等于50mm、小于或等于40mm、小于或等于30mm或者小于或等于20mm。上面提到的范围的组合也是可能的(例如，谐振结构的长度大于或等于30mm且小于或等于50mm)。
58.在图1a至图1b的示例中，电介质材料120布置在谐振结构110的端部111和112下方，使得虽然谐振结构由腔机械支承，但是谐振结构与腔之间没有机械或电接触。然而，在某些情况下，由于电介质材料中电场的吸收，可能会产生电介质损耗。然而，在一些实施方式中，电介质材料120可以布置在谐振器100的模式的电场节点处，从而抑制或消除由电介质材料120的存在引起的任何电介质损耗。合适的电介质材料120可以包括聚合物，例如聚四氟乙烯(ptfe)或尼龙。
59.替代图1a中所示的布置，在一些实施方式中，可以省略电介质材料，使得谐振结构由腔101支承并与腔101接触。例如，谐振结构110可以包括机械接触腔101的非导电部。因此，与图1b的视图一致，谐振结构110可以直接接触腔的任一侧的表面103。
60.在一些实施方式中，除了端部111和112以外，谐振结构可以完全金属化，端部111和112仅包含下方衬底，该下方衬底在结构110的其余部分中被金属化。这种方法可以产生期望的谐振结构，同时避免谐振结构与腔101之间的直接电接触，并且不使用额外的电介质材料120。通过将暴露的衬底布置在模式的电场节点处，得到的电磁模式可能对由于暴露的电介质衬底引起的损耗不敏感。
61.如上所述，在一些实施方式中，谐振结构可以通过紧固件耦接至腔(无论是经由中间电介质材料还是直接耦接至腔)，紧固件允许从腔中移除谐振结构。紧固件可以例如包括螺钉、夹子或者保持谐振结构110相对于腔静止的任何其他合适的结构。在一些情况下，可以选择紧固件来使可能发生的谐振结构的任何振动最小化。合适的紧固件可以由诸如ptfe或尼龙的电介质材料形成，或者可以包括金属。在金属紧固件(例如金属螺钉)的情况下，通过避免金属紧固件与谐振结构的导电部之间的导电连接，可以抑制或消除在腔中包括金属结构的负面影响。例如，如上所讨论的谐振结构的电介质部可以接触腔，并且可以用金属紧固件紧固至腔，但是在谐振结构的导电部与腔之间未产生电连接。
62.图2示出了根据一些实施方式的电磁谐振器的谐振结构的制造工艺。在图2的示例中，形成为谐振结构(例如，图1a至图1b中所示的谐振结构110)的期望形状的电介质衬底210由保持器220保持。材料(例如，金属、超导材料)的薄膜可以经由任何合适的工艺230沉积至衬底上，该工艺230可以包括物理气相沉积(例如，电子束物理气相沉积)和/或溅射。在沉积期间，保持器220可以围绕图2中所示的圆形部旋转，使得谐振结构的所有暴露表面都涂覆有薄膜。
63.在一些实施方式中，衬底210可以包括诸如硅或蓝宝石的材料。在一些情况下，衬底210可以由单晶电介质形成。在一些实施方式中，沉积至衬底上的薄膜可以包括铝、铌、包括例如6061铝和5n5铝的铝合金、铅、掺杂碳化硅和/或铌钛合金，或者可以由这些组成。
64.图3是根据一些实施方式的布置在超导微波腔的一部分内的说明性谐振结构的照片。在图3的示例中，微波腔302的下部被示出为具有说明性谐振结构310，该说明性谐振结构310被耦接至腔302的该部分并由腔302的该部分机械支承。谐振结构310通过激光切割蓝宝石衬底，然后通过电子束物理气相沉积将铝层沉积至蓝宝石上形成。腔302的下部由6061铝形成，并具有金刚石车削的上配合表面。使用铝螺钉341将谐振结构310耦接至腔302的下部。另外，由诸如铍铜的合适材料形成的夹子342被布置在螺钉与谐振结构之间。
65.在图3的示例中，谐振结构310被布置成与腔302的下部直接机械接触。在这个示例中，谐振结构310可以包括电介质部，其中该结构接触腔的下部。可以提供夹子342，以将谐振结构保持至腔302的下部上，其中螺钉将相应夹子的一个端部固定至腔的下部上。
66.图4是根据一些实施方式的操作电磁谐振器以确定材料的材料特性的方法的流程图。如上所述，本文中描述的电磁谐振器的一些实施方式可以被操作以产生取决于谐振结构和/或腔的材料的材料特性的测量结果。根据一些实施方式，方法400是形成谐振器并产生这样的测量结果，然后使用测量结果得出材料特性的方法。
67.在图4的示例中，方法400开始于动作402，在动作402中谐振结构布置在腔内，以形成电磁(em)谐振器。如此产生的谐振器可以例如是图1a至图1b中所示的谐振器100，或者是以上关于图1a至图1b讨论的所述实施方式中的任一个中的谐振器。下面描述合适谐振器的另一个示例。在一些情况下，谐振结构可以借助由其形成腔的相同材料(或者腔的内部涂覆
有的相同材料)形成，或者可以包括由其形成腔的相同材料(或者腔的内部涂覆有的相同材料)。例如，谐振结构可以包括铝的表面薄膜，并且腔也可以由铝形成。
68.在动作404中，操作在动作402中形成的电磁谐振器(例如，通过使用耦接至谐振器的传输线将适当的电磁信号输送至腔中)，并测量腔的内部品质因子。在一些实施方式中，可以激发谐振器的不同模式，并且针对模式中的每一种测量内部品质因子。这些不同模式可以是具有不同谐振频率的模式和/或具有不同谐振行为的模式。在一些实施方式中，谐振器可以表现出不同类型的模式，这些模式对不同类型的损耗具有不同的灵敏度水平；在这种情况下，测量这些模式之一的内部品质因子可以提供与其他模式之一的内部品质因子测量不同的关于谐振器的信息。
69.在动作406中，可以基于在动作404中进行的一个或更多个内部品质因子测量结果来计算一个或更多个材料特性。下面描述了用于特定谐振器设计的该工艺的示例。在动作406中计算的材料特性可以包括谐振结构的材料和/或腔的材料的一个或更多个临界温度、穿透深度和/或表面电阻率。另外，在谐振器包括一个或更多个电介质(例如，谐振结构安装在其上和/或作为谐振结构的元件之间的间隔件)的情况下，可以确定电介质的损耗正切。此外，可以确定腔的上部与下部之间的接头的接缝电阻。
70.在一些实施方式中，动作406可以包括求解多个方程，这些方程将不同的预期损耗与谐振器500的给定模式的内部品质因子相关。多个方程可以包括与模式无关的材料特性(例如上面确定的那些)的值，但是可以彼此线性相关，从而允许从每种模式的内部品质因子的多个测量来确定材料特性的值。
71.可选地，在动作406之后，方法400可以从动作402再次开始，在动作402中在腔内布置新的谐振结构。例如，通过用新的谐振结构替换腔中的谐振结构以形成新的谐振器，该方法可以重复任意次数。以这种方式，可以评估不同谐振结构的材料。
72.为了提供执行方法400的说明性示例，图5a描绘了根据一些实施方式的包括两层谐振结构的说明性电磁谐振器的分解图。在图5a的示例中，谐振器500包括由上部501和下部502形成的超导腔。包括上元件511和下元件512的谐振结构布置在腔内，并悬置在腔的下部502中的开口上方。谐振结构511/512经由电介质间隔件531由腔机械支承，并且具有四个自由端部——元件511和512中的每一个中的两个——它们被布置在每个元件的圆形区域的内部中。谐振结构的上元件511和下元件512由电介质间隔件532分开，并使用电介质螺钉533附接至腔的下部502。在一些实施方式中，间隔件531和532可以包括ptfe垫圈(例如，0.1mm厚的垫圈)，并且电介质螺钉533可以包括尼龙螺钉，但是也可以利用其他材料。
73.根据一些实施方式，谐振结构511/512的平面图在图5b中示出。图5b中所示的视图仅集中在上元件511和下元件512的中心区域上，以示出当谐振器500被组装时它们如何交叠。
74.如可以对于图5a至图5b的示例注意到的，谐振器500包括被电介质间隔件分开、封闭在腔内的两个平面元件。上元件511和下元件512可以例如包括金属或金属化部分。如上所述，腔可以由超导材料形成。上元件511和下元件512中的每一个包括平面椭圆(或圆形)环，其中两个支承臂在环的相对侧连接至环的外侧，并且两个叉连接至环的内侧。两个平面部分上的支承臂可以沿着环的短轴取向。顶部平面部分551上的两个叉可以沿着环的长轴取向，而底部平面部分552上的两个叉沿着环的短轴取向。因此，说明性谐振器500可以表现
出关于椭圆环的两个轴的反射对称性。
75.说明性谐振器500可以是在微波频率范围内包含多个谐振模式的多模式谐振器。在一些实施方式中，这些模式可以对由谐振器表现出的不同损耗通道具有不同的敏感度。现在将描述谐振器500的三种示例性类型的模式。
76.谐振器500的第一类型的模式在本文中可以称为差分回音壁模式(“dwg模式”)。由图6a描绘的这些模式由来自上元件511和下元件512的两个椭圆环支持。两个椭圆环上的相反的电荷(在附图中标记为e)和电流(在附图中标记为j
surf
)分布将电场和磁场两者限制在环之间的真空间隙内，使得这些模式容易受到超导体的表面传导损耗以及表面电介质材料的电介质损耗的影响。在图6a、图6b和图6c中的每一个中，谐振结构的上元件511和下元件512在分开的平面图中示出，但是可以理解为在操作期间被布置在彼此之上，如图5b中所示。
77.谐振器500的第二类型的模式在本文中可以被称为差分叉模式(“df模式”)。由图6b描绘的这些模式由来自上元件511和下元件512的叉支持。顶部叉和底部叉上的相反的电荷分布将电场集中在叉之间的真空间隙内，使得这些模式容易受到表面电介质材料的电介质损耗的影响。因为这些模式的磁场不集中在真空间隙内，所以与dwg模式相比，它们对表面传导损耗相对不太敏感。
78.谐振器500的第三类型的模式在本文中可以称为普通回音壁模式(“cwg模式”)。与dwg模式不同，如由图6c描绘的这些模式在两个椭圆环上可以具有相同的电荷和电流分布。因此，在环之间的真空间隙内没有电磁场。这些模式的电磁场在椭圆环与腔表面之间，导致比dwg模式和df模式大得多的模式体积。因此，它们对表面传导损耗和表面电介质损耗可能相对不太敏感(或不敏感)，但对来自超导腔的接头的接缝损耗相对更敏感。
79.根据一些实施方式，通过参与矩阵，dwg模式、df模式和cwg模式的逆内部品质因子可以与腔和谐振结构材料(在下文中其被假设为是超导材料)的表面电阻率、电介质531、532和533的损耗正切以及腔上部501与下部502之间的接头的接缝电阻线性相关。参与矩阵可以包括对应模式中的损耗通道的参与因子，这些参与因子是dwg模式、df模式和cwg模式的几何因子、表面参与因子和接缝导纳。这些参与因子可以由模式的电磁场分布来确定。它们可以通过有限元电磁模拟来计算。如果dwg模式、df模式和cwg模式对不同的损耗通道敏感，则它们的参与因子可能彼此线性无关。因此，它们的参与矩阵是可逆的，这可以用于将测量的逆品质因子转换成超导腔和谐振结构材料的表面电阻率、电介质的损耗正切和腔接缝的电阻。
80.例如，给定模式(i)的内部品质因子可以由下式给出：
[0081][0082]
其中，rs是由其形成谐振结构和腔的超导金属的表面电阻，g(i)是模式(i)的几何因子，是模式(i)的超导金属与空气之间的参与因子，δ
ma
是模式(i)的损耗正切，
是模式(i)的接缝导纳，并且g
seam
是接缝电阻。通过测量dwg模式、df模式和cwg模式中的每一个的以及通过对每种模式的g(i)、和的值进行建模，可以确定rs、δ
ma
和g
seam
的模式无关值。
[0083]
根据一些实施方式，dwg模式、df模式和cwg模式可以同时耦合至耦合端口，使得能够在单个冷却工艺期间在单个装置中从它们的反射光谱高准确测量它们的内部品质因子。这可以消除由于不同装置和不同冷却条件的变化引起的测量的内部品质因子的不确定性，从而增加对表面电阻率、损耗正切和接缝电阻的敏感度。除了dwg模式、df模式和cwg模式之外，谐振器500还可以表现出对来自间隔件和螺钉的电介质损耗敏感的模式。这些模式可以提供与螺钉和间隔件的损耗正切的非常紧密的界限，例如，这可以用于证明在如上所述的dwg模式、df模式和cwg模式中对这些电介质的损耗的不敏感性。
[0084]
虽然关于谐振器500描述了上面的示例，但是通过对谐振器内的预期损耗通道进行建模并识别谐振器的不同模式被预期对每个损耗通道的敏感程度，可以为如本文中描述的任何合适的电磁谐振器设想类似的工艺。例如，在dwg模式、df模式和cwg模式中，cwg模式可以被预期对接缝损耗更敏感，并且因此与对于其他两种类型的模式观察到的值相比，具有相应更大的值。在一些情况下，特定类型的模式可能对特定的损耗通道不敏感，在这种情况下，相关值可能为零，从而简化计算，以确定将不同损耗与内部品质因子相关的方程中的未知材料特性。
[0085]
图7a至图7b分别描绘了根据一些实施方式的包括非线性元件的说明性电磁谐振器的分解图和截面平面图。如图7的示例中所示，电磁谐振器700可以分别包括腔的上部701和下部702以及由腔的下部机械支承的悬置谐振结构710。谐振器700还可以包括非线性超导元件720，例如约瑟夫森结。在一些情况下，谐振器700可以包括传输子量子比特，其包括约瑟夫森结作为非线性超导元件720。
[0086]
在图7的示例中，非线性元件720可以悬置在腔内，不与谐振结构接触，但通过经由合适的驱动信号操作谐振器，可以在非线性元件与谐振结构710和/或腔701/702的模式(包括多种模式中的任一种)之间产生交互。在图7的示例中，谐振结构710包括用超导材料711金属化的中心区域以及在其端部712处由低损耗电介质衬底形成的外部区域。在一些情况下，中心区域可以包括涂覆有超导材料薄膜的相同衬底。
[0087]
在图7的示例中，悬置谐振结构710和非线性元件720可以通过附图中未示出的弹簧夹子或其他夹紧机构附接至基座。非线性元件720的设计以及非线性元件与谐振结构之间的距离可以确定谐振器700的高q模式与非线性元件720之间的耦合强度。在一些情况下，几mhz的色散耦合可以是可实现的。在一些实施方式中，非线性元件720的非线性可以提供谐振器700中高q模式的通用量子操作，从而提供长寿命的量子存储器。
[0088]
在一些实施方式中，单个腔可以包括多个谐振结构710，多个谐振结构710均耦接至单个非线性元件720。这种配置可以有效地提供布置在单个封装中的几个高q装置，并且可以用作例如量子存储器。
[0089]
已经因此描述了本发明的至少一个实施方式的几个方面，应当理解，本领域技术
人员将容易想到各种变更、修改和改进。
[0090]
这种变更、修改和改进旨在成为本公开内容的一部分，并旨在处于本发明的精神和范围内。此外，尽管指出了本发明的优点，但是应该理解，不是本文中描述的技术的每个实施方式都将包括每个描述的优点。一些实施方式可以不实现本文中描述为有利的任何特征，并且在一些情况下，可以实现所描述的特征中的一个或更多个以实现进一步的实施方式。因此，前面的描述和附图仅作为示例。
[0091]
本发明的各个方面可以单独使用、组合使用或以前述内容中描述的实施方式中未具体描述的各种布置使用，并且因此其应用方面不限于前述描述中阐述或附图中示出的部件的布置和细节。例如，一个实施方式中描述的方面可以以任何方式与其他实施方式中描述的方面组合。
[0092]
此外，本发明可以实施为方法，已经提供了该方法的示例。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造以与所示顺序不同的顺序来执行动作的实施方式，即使在说明性实施方式中被示出为顺序动作，所述实施方式仍可以包括同时执行一些动作。
[0093]
在权利要求中使用序数术语例如“第一”、“第二”、“第三”等来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先级、优先顺序或顺序，或者方法的动作被执行的时间顺序，而是仅仅被用作标记，以将具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素区分开(而使用了序数术语)，以区分权利要求要素。
[0094]
术语“大约”和“约”可以用于意指在一些实施方式中在目标值的
±
20％以内，在一些实施方式中在目标值的
±
10％以内，在一些实施方式中在目标值的
±
5％以内，以及还在一些实施方式中在目标值的
±
2％以内。术语“大约”和“约”可以包括目标值。术语“基本上相等”可以用来指在一些实施方式中在彼此的
±
20％以内、在一些实施方式中在彼此的
±
10％以内、在一些实施方式中在彼此的
±
5％以内、以及还在一些实施方式中在彼此的
±
2％以内的值。
[0095]
术语“基本上”可以用于指在一些实施方式中在比较测量的
±
20％以内、在一些实施方式中在
±
10％以内、在一些实施方式中在
±
5％以内、以及还在一些实施方式中在
±
2％以内的值。例如，“基本上”垂直于第二方向的第一方向可以指在一些实施方式中在与第二方向成90
°
角的
±
20％以内，在一些实施方式中在与第二方向成90
°
角的
±
10％以内，在一些实施方式中在与第二方向成90
°
角的
±
5％以内，以及还在一些实施方式中在与第二方向成90
°
角的
±
2％以内的第一方向。
[0096]
此外，本文中使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应视为限制。“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变体在本文中的使用意味着涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。

技术特征：
1.一种电磁谐振器，包括：超导微波腔；以及悬置在所述腔内并由所述腔机械支承的谐振结构，所述谐振结构包括自由悬置在所述腔内的至少一个端部。2.根据权利要求1所述的电磁谐振器，其中，所述谐振结构包括：第一部，所述第一部从所述腔的第一侧延伸至所述腔的第二侧，所述第二侧与所述第一侧相对；以及第二部，所述第二部从所述第一部延伸并且包括自由悬置在所述腔内的所述至少一个端部。3.根据权利要求1所述的电磁谐振器，其中，所述谐振结构包括电介质衬底。4.根据权利要求3所述的电磁谐振器，其中，所述电介质衬底包括蓝宝石和/或硅。5.根据权利要求4所述的电磁谐振器，其中，所述谐振结构包括涂覆所述电介质衬底的超导材料薄膜。6.根据权利要求5所述的电磁谐振器，其中，所述薄膜完全覆盖所述电介质衬底。7.根据权利要求5所述的电磁谐振器，其中，所述超导材料包括铝。8.根据权利要求1所述的电磁谐振器，还包括布置在所述腔内的非线性超导元件。9.根据权利要求8所述的电磁谐振器，其中，所述非线性超导元件包括至少一个约瑟夫森结。10.根据权利要求8所述的电磁谐振器，其中，所述非线性超导元件是传输子量子比特。11.根据权利要求1所述的电磁谐振器，其中，所述谐振结构经由一个或更多个电介质元件耦接至所述腔。12.根据权利要求1所述的电磁谐振器，其中，所述谐振结构接触所述腔。13.根据权利要求1所述的电磁谐振器，其中，所述谐振结构是平面的。14.根据权利要求1所述的电磁谐振器，其中，所述谐振结构包括下元件和上元件，所述上元件布置在所述下元件上方，并通过电介质材料与所述下元件分开。15.根据权利要求14所述的电磁谐振器，其中，所述下元件包括圆形部，并且其中，自由悬置在所述腔内的所述至少一个端部布置在所述圆形部内。16.根据权利要求14所述的电磁谐振器，其中，所述上元件和所述下元件都是平面的。17.一种使用根据权利要求1所述的电磁谐振器表征第一材料的方法，其中，所述谐振结构包括所述第一材料，所述方法包括：测量所述电磁谐振器的至少一个内部品质因子；以及至少部分地基于所测量的至少一个内部品质因子来确定所述第一材料的至少一个材料特性。18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少一个材料特性包括以下中的一个或更多个：表面电阻、损耗正切和接缝电导。19.根据权利要求17所述的方法，包括：测量与所述电磁谐振器的第一类型模式相对应的第一内部品质因子；以及测量与所述电磁谐振器的第二类型模式相对应的第二内部品质因子。

技术总结
描述了通过在超导腔内布置谐振结构来构造电磁谐振器的技术。该设计的架构可以提供可以表现出多种模式的低损耗超导腔谐振器。这种谐振器的多模式性质部分地是由谐振结构以这样的方式产生的，该方式允许谐振器的模式通过调节谐振结构来调节，而不是如在传统超导腔谐振器中另外需要的那样通过必须改变腔的物理尺寸来调节。在一些实施方式中，谐振结构可以包括悬置超导体，该悬置超导体包括金属和/或金属化部分。金属化部分。金属化部分。


技术研发人员：尚
受保护的技术使用者：耶鲁大学
技术研发日：2022.02.17
技术公布日：2023/10/15