基于超導約瑟夫森結(jié)的雙路徑量子糾纏微波信號研究

王志陽

摘 要：近年來，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們越來越重視電子企業(yè)的發(fā)展。在電子企業(yè)中，做好約瑟夫森結(jié)的雙路徑量子糾纏微波信號研究工作，能夠讓電子線路得到更好的利用，提高電路的運行效率。因此，本文主要研究基于基于超導約瑟夫森結(jié)的雙路徑量子糾纏微波信號，希望能夠電路中的工作人員提供參考和幫助。

關(guān)鍵詞：超導約瑟夫森結(jié)；雙路徑量子；糾纏微波信號

中圖分類號：O413 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）17-0217-02

約瑟夫森結(jié)屬于一種運行比較穩(wěn)定的電子電路，當電子系統(tǒng)中的溫度較低時，系統(tǒng)中的電路會快速交換能量。但是，在能量交換的過程中，也會產(chǎn)生大量的雙路徑量子糾纏微波信號，在一定程度上影響了電子線路的正常運行。因此，電子電路中的工作人員做好雙路徑量子糾纏微波信號研究工作具有非常重要的作用。本文主要分析超導約瑟夫森結(jié)的雙路徑量子糾纏微波信號，從而保證電子線路能夠安全穩(wěn)定運行。

1 約瑟夫森結(jié)的含義

約瑟夫森結(jié)是以英國物理學家的姓名來命名的，主要利用電子電路中的超導現(xiàn)象，當電路中的溫度較低時，電子線路中會出現(xiàn)大量的微波，超導電路中的電阻會逐漸變小，提高電路電流的運行效率。約瑟夫森結(jié)通過利用一些靈敏性高的微波器與測壓器來保證電路正常運行。同時，約瑟夫森結(jié)主要由兩部分組成，這兩部分均屬于超導體，這兩部分超導體之間被薄體電殼分離，電路中的電子通過電殼后，部分形成了約瑟夫森結(jié)電流，電路中的電子通過電殼的運動常常被人們稱為約瑟夫森結(jié)通道，電子在運行的過程中，會通過超導體，從而產(chǎn)生大量的約瑟夫森結(jié)電流，電流在運行過程中，會在電路中形成一定的電阻，影響電路運行，這種現(xiàn)象稱為約瑟夫森結(jié)干涉[1]。

約瑟夫森結(jié)在正常運行的過程中，電路中的電流會隨著時間不斷增加，產(chǎn)生大量電阻，當電阻達到一定數(shù)值時，電流會逐漸減小，同時，電路中的電壓會不斷釋放量子，當電路中的量子聚集到一定程度后，就會產(chǎn)生大量的糾纏微波信號，從而降低了電路的運行效率。根據(jù)大量研究數(shù)據(jù)顯示，電路中的量子糾纏微波信號越多，電路中的電壓與電流的越小。當增加電路表面積，量子糾纏微波信號對電路的影響會逐漸減小，在一定程度上提高了電路的安全性。當約瑟夫森結(jié)兩端的電壓過高時，電路中的電流受電壓的影響，會產(chǎn)生很大的震蕩波動，嚴重的會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。因此，工作人員需要根據(jù)電路的實際運行情況，嚴格控制電路電壓，減少共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，保證電路能夠穩(wěn)定運行。

2 約瑟夫森結(jié)的相關(guān)設(shè)備

約瑟夫森結(jié)參量設(shè)備主要包括三部分，分別是約瑟夫森結(jié)參量放大器、約瑟夫森結(jié)環(huán)形控制器與約瑟夫森結(jié)混合器。其中，約瑟夫森結(jié)參量放大器在整個電路系統(tǒng)中具有非常重要的作用，約瑟夫森結(jié)參量放大器能夠?qū)㈦娐分械霓D(zhuǎn)變頻率與信號放大，在一定程度上提高了電路的穩(wěn)定性。同時，約瑟夫森結(jié)參量放大器在運行的過程中，產(chǎn)生的噪音比較小，電路中的量子糾纏微波信號對電路的影響較小。在約瑟夫森結(jié)運行的過程中，相關(guān)工作人員設(shè)計了電磁驅(qū)動的JPA，JPA主要包括超導雙路徑量子振動器與振動終端，其中，振動終端屬于直流SQUID，通過添加SQUID，不但能夠提高電路中的電磁量，還能夠有效調(diào)節(jié)振動頻率，將約瑟夫森結(jié)信號不斷放大[2]。具體的運行流程（見圖1）。

與此同時，系統(tǒng)中的JPA能夠產(chǎn)生大量的模塊壓縮量子，這些壓縮量子能夠準確測定系統(tǒng)中的電流，并根據(jù)電流的運行情況，合理控制電路中的量子糾纏微波信號。約瑟夫森結(jié)環(huán)形控制器，主要包括四個約瑟夫森結(jié)，屬于惠斯頓電路結(jié)構(gòu)，并且與微量電子量全部對稱。目前，這這種設(shè)備已經(jīng)被人們廣泛應用到電子線路中，并取得顯著效果，減少雙路徑量子糾纏微波信號的產(chǎn)生，提高了整個電路系統(tǒng)的運行效率。

3 超導約瑟夫森結(jié)的雙路徑量子糾纏微波信號產(chǎn)生原因分析

3.1 并聯(lián)式糾纏微波信號的產(chǎn)生原因

約瑟夫森結(jié)控制環(huán)包括四個終端的量子糾纏微波元件，在這四個量子終端中，有兩個終端主要用來接收電路信號，另兩個量子終端則用來發(fā)射電子信號，在信號接收終端上，可以涂上一層比較薄的混合層，提高電路的抗氧化性。同時，工作人員可以根據(jù)約瑟夫森結(jié)的運行情況，分別在終端兩側(cè)安裝180度混合微量耦合器，該耦合器與系統(tǒng)分離器的作用不同，能夠?qū)㈦p路徑量子糾纏微波信號按照一定的比例進行分配。約瑟夫森結(jié)分離器使用比較方便，能夠?qū)⑾到y(tǒng)中的廣場進行有效分離。根據(jù)大量數(shù)據(jù)分析得知，當約瑟夫森結(jié)中的電流超過規(guī)定數(shù)值時，通過安裝分離器，能夠有效保證系統(tǒng)的運行效率，減少約瑟夫森結(jié)產(chǎn)生雙路徑量子糾纏微波信號的產(chǎn)生。同時，在四個量子終端中，至少有一個終端能夠控制輸出糾纏信號，并且該信號會影響約瑟夫森結(jié)的穩(wěn)定運行[3]。

利用函數(shù)分析法，在約瑟夫森結(jié)中加入55歐姆的電阻，由于電路中的電阻會隨著時間的增長會變化，如果電路中添加電阻，電路中的電壓會發(fā)生很大變化，雙路徑量子糾纏微波信號會嚴重影響線路的運行。同時，約瑟夫森結(jié)中的真空漲落表示了雙路徑量子糾纏微波信號噪音，從而產(chǎn)生并聯(lián)式糾纏微波信號，降低了相關(guān)工作人員的工作效率。為了減小約瑟夫森結(jié)中的噪音，可以在系統(tǒng)中安裝振蕩器，電路中的振蕩頻率主要由線路電感與電容決定，在約瑟夫森結(jié)中，電容基本上是固定的，不會隨著電路的運行效率改變而改變。因此，可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的電容，改進電路中的電感，通過調(diào)節(jié)電路中的光感線圈，調(diào)節(jié)電路電感，從而提高電路中的電感值，并嚴格控制電路振動頻率。JPA結(jié)構(gòu)如圖2所示。

約瑟夫森結(jié)中，JPA結(jié)構(gòu)的內(nèi)部振動頻率應該是規(guī)定頻率的2倍，將這些頻率調(diào)節(jié)到SQUID中，在SQUID 中，振動頻率會不斷壓縮。在真空狀態(tài)下，振動頻率經(jīng)過HR控制器之后，系統(tǒng)中的振動頻率就會直接分成兩個部分，這兩部分信號經(jīng)過線路放大器與濾波器，逐漸轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的運行頻率。

3.2 非并聯(lián)式糾纏微波信號的產(chǎn)生原因endprint

在約瑟夫森結(jié)運行線路中，如果線路中的振動頻率過高，會產(chǎn)生大量的并聯(lián)式糾纏微波信號。如果沒有嚴格控制線路中的電容與電壓，則會產(chǎn)生大量的非并聯(lián)式糾纏微波信號。產(chǎn)生非并聯(lián)式糾纏微波信號的主要原因是系統(tǒng)中的電流與電壓沒有在規(guī)定范圍內(nèi)。同時，當電路系統(tǒng)中的負載過大時，會有很多真空量子進入到設(shè)備當中，在一定程度上影響了系統(tǒng)的正常運行。因此，為了有效減少電路中非并聯(lián)式糾纏微波信號，可以在線路中安裝量子糾纏器，當雙路徑量子糾纏微波信號進入設(shè)備后，糾纏器會產(chǎn)生EPR，利用光子與電路中的振動頻率，能夠減小雙路徑量子糾纏微波信號對線路的影響。

糾纏器中的雙模一般是真空狀態(tài)，當輸出器中的糾纏量子數(shù)較多時，量子會組合在一起，從而產(chǎn)生大量的雙路徑量子糾纏微波信號，這些糾纏微波信號經(jīng)過糾纏器時，會被環(huán)形器分離，然后根據(jù)空間中的傳輸線路運行。當雙模中的量子處于不同狀態(tài)時，可用混合器中磁通設(shè)備來調(diào)節(jié)系統(tǒng)中糾纏量子，盡量減少糾纏量子對電路的影響。另外，也可以在電路中安裝檢測器，檢測器的工作原理與糾纏器相同，能夠有效降低系統(tǒng)中的糾纏量子。通過利用電路中不同的運行頻率，當糾纏量子經(jīng)過檢測器時，系統(tǒng)中的相位會產(chǎn)生相位差，通過降低相位差，能夠?qū)⑾到y(tǒng)中的噪音降到最低，提高電路的安全性。

3.3 并聯(lián)式糾纏微波信號與非并聯(lián)式糾纏微波信號產(chǎn)生原因的差異

通過分析并聯(lián)式糾纏微波信號與非并聯(lián)式糾纏微波信號的產(chǎn)生原因，能夠幫助工作人員更好的掌握電路系統(tǒng)的運行情況，系統(tǒng)中的糾纏信號與約瑟夫森結(jié)對系統(tǒng)的影響較大。在電路系統(tǒng)當中，約瑟夫森結(jié)能夠影響糾纏信號的產(chǎn)生，雖然糾纏信號會影響系統(tǒng)的正常運行，但是，該信號會在一定程度上提高系統(tǒng)的安全性。約瑟夫森結(jié)能夠保證系統(tǒng)的安全性，也會降低系統(tǒng)的運行效率。糾纏信號與約瑟夫森結(jié)本質(zhì)上均是信號頻率，如果系統(tǒng)中的信號頻率同時降低，會降低系統(tǒng)的安全系數(shù)[4]。

并聯(lián)式糾纏信號與非并聯(lián)式糾纏信號都會影響系統(tǒng)的正常運行。當電路中的振動頻率較低時，可以在系統(tǒng)中加入大量的光子，光子能夠控制糾纏量子的產(chǎn)生，降低糾纏信號對約瑟夫森結(jié)的影響。同時，由于電路系統(tǒng)中振動頻率的不同，也會影響系統(tǒng)的運行，根據(jù)對比能夠發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)中振動頻率較大時，會產(chǎn)生大量的并聯(lián)式糾纏信號，反之，會產(chǎn)生大量的非并聯(lián)式糾纏信號。因此，相關(guān)工作人員需要嚴格控制線路的振動頻率。在電路系統(tǒng)中，如果約瑟夫森結(jié)含量過多，也會影響系統(tǒng)的正常運行，一般在系統(tǒng)中安裝兩個約瑟夫森結(jié)比較適宜。如果安裝過多的約瑟夫森結(jié)，不但會增加系統(tǒng)耗電量，還會產(chǎn)生大量的電容，影響系統(tǒng)電流與電壓，工作人員需要根據(jù)電路的實際運行情況，合理安裝約瑟夫森結(jié)，從而進一步降低并聯(lián)式糾纏信號與非并聯(lián)式糾纏信號對系統(tǒng)的影響。

4 結(jié)語

本文主要介紹了約瑟夫森結(jié)的組成與雙路徑量子糾纏微波信號產(chǎn)生原因，有效保證了約瑟夫森結(jié)的穩(wěn)定性。但是，相關(guān)工作人員在實際工作中，仍然會遇到很多問題，這就需要工作人員不斷學習先進的雙路徑量子糾纏微波信號相關(guān)知識，縮短量子傳播距離，減小雙路徑量子糾纏微波信號對電路的影響，從而保證我國電子企業(yè)能夠更好的發(fā)展。

參考文獻

[1]吳德偉，李響，楊春燕，苗強.基于超導約瑟夫森結(jié)的雙路徑量子糾纏微波信號研究進展[J].量子電子學報，2017，（01）：1-8.

[2]張駿，張辰，張焱，等.高溫超導YBa_2Cu_3O_（7-δ）雙晶約瑟夫森結(jié)的輸運特性隨晶界角的變化[J].低溫物理學報，2015，（06）：423-429.

[3]鄧輝，戴倩，于海峰，等.多層交替沉積后退火處理MgB_2超導薄膜上約瑟夫森結(jié)的制備[J].科學通報，2016，（07）：498-505.

[4]岳宏衛(wèi)，閻少林，周鐵戈，等.嵌入Fabry-Perot諧振腔的高溫超導雙晶約瑟夫森結(jié)的毫米波輻照特性研究[J].物理學報，2015，（02）：1282-1287.endprint