微波信号检测设备及方法

技术领域

本申请属于量子比特信号测控技术领域，特别地，本申请涉及一种微波信号检测设备及方法。

背景技术

在量子比特芯片所处的低温超导空间中存在未知空间微波驱动信号，然而现有的空间微波信号检测设备均无法在低温超导空间中使用，进而无法对量子比特芯片所在低温超导空间中的未知空间微波驱动信号进行检测。

基于此，设计出适用于低温超导空间的空间微波信号检测设备是个亟待解决的难题。

发明内容

本申请的示例提供了一种微波信号检测设备及方法，该方案能够对低温超导空间中的空间微波驱动信号进行准确检测。

本申请示例的方案，通过如下内容实施。

在第一方面，本申请的示例提出了一种微波信号检测设备，所述设备包括：

由量子比特组成的探测单元，用于设置在低温超导空间探测所述低温超导空间中存在的驱动所述量子比特发生拉比振荡的待测空间微波信号；

信号产生单元，与所述探测单元连接，用于提供改变所述量子比特的工作频率的第一电压信号；

测算单元，与所述探测单元连接，用于基于所述量子比特发生拉比振荡的拉比振荡曲线信息，确定所述量子比特与所述待测空间微波信号发生共振时的第一电压信号值，作为目标电压信号值，并获取所述目标电压信号值决定的目标量子比特频率以检测所述待测空间微波信号的频率。

根据本申请的一些示例，所述第一电压信号的数目为多个；

所述测算单元，用于获得每个所述第一电压信号对应的拉比振荡曲线信息，并将达到预设条件的拉比振荡曲线信息对应第一电压信号值作为共振时的所述目标电压信号值。

根据本申请的一些示例，所述预设条件由所述拉比振荡曲线信息中的曲线幅值最大值决定。

根据本申请的一些示例，所述测算单元包括矢量网络分析仪；

所述矢量网络分析仪与所述探测单元连接，用于获得所述第一电压信号对应的拉比振荡曲线信息。

根据本申请的一些示例，所述信号产生单元，还用于提供驱动所述量子比特发生拉比振荡的参考微波信号；

在所述目标电压信号值对应的第一电压信号作用下，所述测算单元还用于获得所述待测空间微波信号驱动所述量子比特的第一拉比振荡频率、所述待测空间微波信号和所述参考微波信号共同驱动所述量子比特的第二拉比振荡频率，并基于所述第一拉比振荡频率、所述第二拉比振荡频率和所述参考微波信号的功率，获得所述待测空间微波信号的功率。

根据本申请的一些示例，所述参考微波信号的数目至少为两个。

根据本申请的一些示例，所述测算单元，用于基于所述第二拉比振荡频率和所述参考微波信号的功率，获得拉比振荡频率与微波信号功率的第一关系，以及基于所述第一关系，确定拉比振荡频率与微波信号功率对应关系中的比例系数，并根据所述比例系数和所述第一拉比振荡频率，确定所述待测空间微波信号的功率。

根据本申请的一些示例，所述探测单元包括Z电压信号输入端口、读取输入端口和读取输出端口；所述量子比特，通过所述Z电压信号输入端口与所述信号产生单元连接，用于接收所述第一电压信号；

所述探测单元还包括：

读取谐振腔，与所述量子比特耦合；

所述测算单元，通过所述读取输入端口与所述读取谐振腔连接，用于读取施加在所述读取谐振腔上用于获得所述拉比振荡曲线信息的读取信号，并通过所述读取输出端口与所述读取谐振腔连接，用于获取所述量子比特发生拉比振荡时的所述拉比振荡曲线信息。

在第二方面，本申请示例提出了一种采用前述微波信号检测设备的微波信号检测方法，所述方法包括：

提供改变量子比特工作频率的第一电压信号；所述量子比特组成的探测单元设置在低温超导空间探测所述低温超导空间中存在的驱动所述量子比特发生拉比振荡的待测空间微波信号；

基于所述量子比特发生拉比振荡的拉比振荡曲线信息，确定所述量子比特与所述待测空间微波信号发生共振时的第一电压信号值，作为目标电压信号值；

获得所述目标电压信号值决定的目标量子比特频率以检测所述待测空间微波信号的频率。

根据本申请的一些示例，所述方法还包括：

在所述目标电压信号值对应的第一电压信号作用下，获得所述待测空间微波信号驱动所述量子比特的第一拉比振荡频率；

提供驱动所述量子比特发生拉比振荡的参考微波信号；

在所述目标电压信号值对应的第一电压信号作用下，获得所述待测空间微波信号和所述参考微波信号共同驱动所述量子比特的第二拉比振荡频率；

基于所述第一拉比振荡频率、所述第二拉比振荡频率和所述参考微波信号的功率，获得所述待测空间微波信号的功率。

在本申请前述的示例中，微波信号检测设备通过测算单元获得探测单元中量子比特在信号产生单元产生的第一电压信号的作用下，待测空间微波信号驱动量子比特对应的拉比振荡曲线。由于发生共振时的拉比振荡曲线幅值最高，测算单元可以基于所述量子比特发生拉比振荡的拉比振荡曲线信息，确定出量子比特和待测空间微波信号共振时的拉比振荡曲线，进而确定出共振时的第一电压信号值，即目标电压信号值。因为发生共振时，量子比特的共振频率与待测空间微波信号的频率相等，所以，测算单元基于目标电压信号值对应的量子比特频率，即可确定待测空间微波信号的频率，完成对低温超导空间中待测空间微波信号的频率检测。

附图说明

为了更清楚地说明，以下将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请示例中微波信号检测设备的结构示意图；

图2为本申请示例中的量子比特工作频率和待测空间微波信号频率的频率差与拉比振荡曲线之间对应关系图；

图3为本申请示例中的探测单元的结构示意图；

图4为本申请示例中的微波信号检测方法中微波信号频率检测的流程图；

图5为本申请示例中的微波信号检测方法中微波信号功率检测的流程图。

附图标记说明：100-微波信号检测设备；110-探测单元；111-量子比特；112-Z电压信号输入端口；113-读取输入端口；114-读取输出端口；115-读取谐振腔；120-信号产生单元；130-测算单元。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

现有空间微波信号测量设备无法适用于超导低温环境，基于此，请参考图1，本发明第一实施例提供了一种微波信号检测设备100。该设备包括：由量子比特111组成的探测单元110，用于设置在低温超导空间探测低温超导空间中存在的驱动量子比特111发生拉比振荡的待测空间微波信号；信号产生单元120，与探测单元110连接，用于提供改变量子比特111的工作频率的第一电压信号；测算单元130，与探测单元110连接，用于基于量子比特111发生拉比振荡的拉比振荡曲线信息，确定量子比特111与待测空间微波信号发生共振时的第一电压信号值，作为目标电压信号值，并获取目标电压信号值决定的目标量子比特频率以检测待测空间微波信号的频率。

其中，需要说明的是，本申请所提供的微波信号检测设备100中，仅探测单元110在使用时设置于低温超导空间中，信号产生单元120及测算单元130设置于室温环境中即可。

量子比特111可在驱动信号驱动下，周期性地在基态和激发态之间振荡，即产生拉比振荡，基于此，低温超导空间中的待测空间微波信号会驱动设置于低温超导空间中的探测单元110中的量子比特111发生拉比振荡。

本实施例的微波信号检测设备100通过测算单元130获得探测单元110中量子比特111在信号产生单元120产生的第一电压信号的作用下，待测空间微波信号驱动量子比特111对应的拉比振荡曲线。由于发生共振时的拉比振荡曲线幅值最高，测算单元130可以基于量子比特111发生拉比振荡的拉比振荡曲线信息，确定出量子比特111和待测空间微波信号共振时的拉比振荡曲线，进而确定出共振时的第一电压信号值，即目标电压信号值。因为发生共振时，量子比特111的共振频率与待测空间微波信号的频率相等，所以，测算单元130基于目标电压信号值对应的目标量子比特频率，即可确定待测空间微波信号的频率，完成对低温超导空间中待测空间微波信号的频率检测。

由于量子比特111适用于低温超导空间且具备灵敏度高的特性，本实施例的微波信号检测设备100中探测单元110可设置在低温超导空间的环境温度为20mk左右，微波信号检测设备100还可以探测约(-130～-80)dBm的微弱信号，且灵敏度非常高。

在本实施例中，第一电压信号的数目为多个；测算单元130，用于获得每个第一电压信号对应的拉比振荡曲线信息，并将达到预设条件的拉比振荡曲线信息对应第一电压信号值作为共振时的目标电压信号值。

请参考图2，量子比特111工作频率和待测空间微波信号频率之间不同的频率差会对应不同的拉比振荡曲线，而在频率差为零时，拉比振荡曲线幅值的峰值最大。由于待测空间微波信号的频率未知，且不发生改变，本申请所提供的微波信号检测设备100通过信号产生单元120产生多个第一电压信号，以多次改变量子比特111工作频率，获得不同的频率差(量子比特111工作频率和待测空间微波信号频率之间频率差)对应的拉比振荡曲线。当测算单元130检测出幅值峰值最大的拉比振荡曲线时，可确定量子比特111和待测空间微波信号发生共振，进而可确定共振时的目标电压信号值。

在本实施例中，预设条件由拉比振荡曲线信息中的曲线幅值最大值决定。

请参考图2，纵坐标P

进一步的，测算单元130还可以和信号产生单元120连接，用于控制信号产生单元120生成第一电压信号。具体的，测算单元130根据拉比振荡曲线峰值与期望值(拉比振荡曲线峰值为1)之间的差值，调整第一电压信号的电压值，直至信号产生单元120产生使量子比特111和待测空间微波信号共振的目标电压信号。

在本实施例中，测算单元130包括矢量网络分析仪；矢量网络分析仪与探测单元110连接，用于获得第一电压信号对应的拉比振荡曲线信息。

需要说明的是，矢量网络分析仪仅为一个实施例，凡与探测单元110连接可获得第一电压信号对应的拉比振荡曲线信息的设备均可为测算单元130的组成模块。

在本实施例中，信号产生单元120，还用于提供驱动量子比特111发生拉比振荡的参考微波信号；

在目标电压信号值对应的第一电压信号作用下，测算单元130还用于获得待测空间微波信号驱动量子比特111的第一拉比振荡频率、待测空间微波信号和参考微波信号共同驱动量子比特111的第二拉比振荡频率，并基于第一拉比振荡频率、第二拉比振荡频率和参考微波信号的功率，获得待测空间微波信号的功率。

拉比振荡(角)频率与驱动微波信号满足如下关系：

其中，W

由上述公式可得，当△为0，即量子比特111和待测空间微波信号发生共振时，待测空间微波信号的功率和共振时的拉比振荡频率呈线性相关，即，W

需要说明的是，待测空间微波信号和参考微波信号的频率相等。在测算单元130确定出待测空间微波信号频率后，测算单元130可将包含待测空间微波信号频率的信号产生指令发送至信号产生单元120，以使信号产生单元120产生与待测空间微波信号频率相等的参考微波信号。当信号产生单元120固定产生目标电压信号值的第一电压信号时，参考微波信号与待测空间微波信号的叠加驱动微波信号与量子比特111产生共振，此时的拉比振荡频率与参考微波信号与待测空间微波信号的功率和线性相关。

具体的，在测算单元130获得出待测空间微波信号的频率时，测算单元130还可以获得在待测空间微波信号和量子比特111共振时的拉比振荡频率(第一拉比振荡频率)。信号产生单元120还用于固定第一电压信号处于目标电压信号值，并产生与待测空间微波信号频率相等的参考微波信号，测算单元130还用于获得参考微波信号和待测空间微波信号共同驱动量子比特111发生拉比振荡时对应的拉比振荡频率(第二拉比振荡频率)。进一步的，测算单元130可以根据第一拉比振荡频率、第二拉比振荡频率和参考微波信号的功率，确定出待测空间微波信号功率的真实值。

在本实施例中，参考微波信号的数目至少为两个。

在本实施例中，测算单元130，用于基于第二拉比振荡频率和参考微波信号的功率，获得拉比振荡频率与微波信号功率的第一关系，以及基于第一关系，确定拉比振荡频率与微波信号功率对应关系中的比例系数，并根据比例系数和第一拉比振荡频率，确定待测空间微波信号的功率。

具体的，信号产生单元120至少产生两个功率不同的参考微波信号，测算单元130还根据不同功率的参考微波信号与待测空间微波信号共同驱动量子比特111产生的第二拉比振荡频率，以及施加的参考微波信号功率，获得拉比振荡频率与微波信号功率的对应关系。当参考微波信号功率数目为二时，测算单元130可以获得两个第一关系，并根据两个第一关系确定出比例系数的真实值，进而可以根据比例系数和第一拉比振荡频率，确定出待测空间微波信号的功率。

请参考图3，在本实施例中，探测单元110包括Z电压信号输入端口112、读取输入端口113和读取输出端口114；量子比特111，通过Z电压信号输入端口112与信号产生单元120连接，用于接收第一电压信号；

探测单元110还包括：

读取谐振腔115，与量子比特111耦合；

测算单元130，通过读取输入端口113与读取谐振腔115连接，用于读取施加在读取谐振腔115上用于获得拉比振荡曲线信息的读取信号，并通过读取输出端口114与读取谐振腔115连接，用于获取量子比特111发生拉比振荡时的拉比振荡曲线信息。

具体的，信号产生单元120通过Z电压信号输出端口，将改变量子比特111工作频率的第一电压信号施加在量子比特111。测算单元130分别通过读取输入端口113、读取输出端口114与读取谐振腔115连接。基于色散读取原则，测算单元130通过读取输入端口113读取施加在读取谐振腔115的读取信号，并通过读取输出端口114获取量子比特111发生拉比振荡时的拉比振荡曲线信息。

进一步的，探测单元110还包括参考微波信号输入端口。信号产生单元120通过参考微波信号输入端口与量子比特111连接，用于将参考微波信号施加至量子比特111，以驱动量子比特111产生拉比振荡。

请参考图4，本申请第二实施例提供了一种采用前述的微波信号检测设备的微波信号检测方法。该检测方法包括以下步骤：

S11：提供改变量子比特工作频率的第一电压信号；量子比特组成的探测单元设置在低温超导空间探测低温超导空间中存在的驱动量子比特发生拉比振荡的待测空间微波信号。

其中，在步骤S11，提供改变量子比特工作频率的第一电压信号之前，方法还包括：将由量子比特组成的探测单元设置于低温超导空间。需要说明的是，本实施例以该方法应用于包括信号产生单元和测算单元的终端(可称为管理终端)进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于服务器，还可以应用于包括终端和服务器的系统，并通过终端和服务器的交互实现。

具体的，由于待测空间微波信号的频率未知，且不发生改变，终端向探测单元提供不同的改变量子比特工作频率的第一电压信号，直至提供的第一电压信号使量子比特和待测空间微波信号共振。

S12：基于量子比特发生拉比振荡的拉比振荡曲线信息，确定量子比特与待测空间微波信号发生共振时的第一电压信号值，作为目标电压信号值。

具体的，终端还获取在量子比特发生拉比振荡时的拉比振荡曲线信息，由于发生共振时的拉比振荡曲线幅值最高，终端可以基于量子比特发生拉比振荡的拉比振荡曲线信息，确定出量子比特和待测空间微波信号共振时的拉比振荡曲线，进而确定出共振时的第一电压信号值，即目标电压信号值。

S13：获得目标电压信号值决定的目标量子比特频率以检测待测空间微波信号的频率。

由于量子比特和待测空间微波信号发生共振时，量子比特的共振频率与待测空间微波信号的频率相等，所以，终端基于目标电压信号值对应的量子比特频率，即可确定待测空间微波信号的频率，完成对低温超导空间中待测空间微波信号的频率检测。

请参考图5，该微波信号检测方法还包括以下步骤：

S21:在目标电压信号值对应的第一电压信号作用下，获得待测空间微波信号驱动量子比特的第一拉比振荡频率。

具体的，终端在确定目标电压信号值后，将第一电压信号值固定于目标电压信号值，并获得在待测空间微波信号驱动量子比特发生拉比振荡时的第一拉比振荡频率。

S22：提供驱动量子比特发生拉比振荡的参考微波信号。

其中，待测空间微波信号和参考微波信号的频率相等。

S23：在目标电压信号值对应的第一电压信号作用下，获得待测空间微波信号和参考微波信号共同驱动量子比特的第二拉比振荡频率。

具体的，终端在获得在待测空间微波信号驱动量子比特发生拉比振荡时的第一拉比振荡频率之后，获得在待测空间微波信号和参考微波信号共同驱动下量子比特发生拉比振荡时的第二拉比振荡频率。

S24：基于第一拉比振荡频率、第二拉比振荡频率和参考微波信号的功率，获得待测空间微波信号的功率。

具体的，步骤S24，基于第一拉比振荡频率、第二拉比振荡频率和参考微波信号的功率，获得待测空间微波信号的功率，包括：

基于第二拉比振荡频率和参考微波信号的功率，获得拉比振荡频率与微波信号功率的第一关系；

基于第一关系，确定拉比振荡频率与微波信号功率对应关系中的比例系数；

根据比例系数和第一拉比振荡频率，确定待测空间微波信号的功率。

具体的，终端至少提供两个功率不同的参考微波信号。当参考微波信号功率数目为二时，终端可以根据参考微波信号与待测空间微波信号共同驱动量子比特产生的第二拉比振荡频率，以及施加的参考微波信号功率，获得两个拉比振荡频率与微波信号功率的对应关系第一关系，并根据两个第一关系确定出比例系数的真实值，进而可以根据比例系数和第一拉比振荡频率，确定出待测空间微波信号的功率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。