[发明专利]一种产生交流量子电压的装置及方法

说明书

本发明提供了一种用于产生交流量子电压的装置及方法。通过上位机编程控制电压电流转换电路产生偏置电流，在微波的激励下产生量子电压，量子电压的准确度为10‑9量级，可以利用交流量子电压进行交流信号的测量。本发明产生的阶梯波交流量子电压的台阶建立时间为1.1μs，最高频率为1kHz，可以满足低频交流电压的测量。

技术领域

本发明属于计量领域，具体涉及一种用于产生交流量子电压的装 置和方法。

背景技术

随着国际单位制(SI)的改革，SI单位制将以经典理论为基础的 宏观实物基准，转为以量子物理和基本物理常数为基础的微观自然基 准，把微观自然现象和物理效应应用在基本单位计量基准领域，并建 立更科学、更完善、更有效的现代计量体系，实现国际上的测量统一。 现代计量学的一个发展趋势是利用量子现象复现计量单位，建立计量 基准，实现由实物基准向量子计量基准的过渡。国际单位制SI中与 电磁量有关的基本单位是安培(A)，长期维持高度稳定的电流标准十 分困难。电流单位安培通常是根据欧姆定律，使用保存和复现电压单 位伏特及电阻单位欧姆导出。1990年以后，国际上统一使用约瑟夫森 效应的原理复现的电压单位来保证国际范围内电压单位溯源的一致 性，并定义约瑟夫森常数K_(J-90)＝2e/h，其值为483597.9GHz/V。我国 也于1993年和1999年先后建立了1V和10V直流约瑟夫森量子电 压基准，目前还未建立交流量子电压基准，交流量子电压的合成是建立交流量子电压基准的主要难题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述交流量子电压合成的问题，提供一种 用于产生交流量子电压的装置及方法，为交流量子电压动态信号的合 成提供一种解决方案。

本发明提出的交流量子电压生成系统，包括上位机、时钟、驱动 电路、数字电压表、微波源、低温探杆、低温杜瓦和PJVS结阵；其 中，

上位机与时钟、驱动电路、数字电压表(DVM)和微波源连接；

数字电压表与上位机和低温探杆连接，数字电压表接收上位机的 指令，读取PJVS结阵进行I-V特性扫描时的电压值，然后将读取的 电压值送到上位机进行存储，分析电压V波动大于1×10^-7V时对应 的偏置电流I范围，由于偏置电流小于1mA时认定PJVS结阵无法稳定输出量子电压，因此通过I-V特性判断PJVS结阵工作状态是否 正常；

微波源与上位机和低温探杆连接，微波源在上位机的控制下产生 微波信号，通过低温探杆将微波信号输出在PJVS结阵上，激励PJVS 结阵产生量子电压；优选的，微波信号为20GHz左右。

时钟与上位机、驱动电路、数字电压表和微波源连接，为上位机、 驱动电路、数字电压表和微波源提供工作时钟；

低温探杆与驱动电路、数字电压表、微波源、PJVS结阵连接， 低温探杆接收驱动电路产生的开关控制信号，控制低温探杆内开关的 切换；低温探杆接收驱动电路产生的驱动电流并输出给PJVS结阵， 驱动PJVS结阵产生相应的电压值；

PJVS结阵与低温探杆连接，在驱动电路和微波源的控制下产生 三种偏置状态，正偏、零位和反偏，用于产生负电压、零电压和正电 压；

低温杜瓦为PJVS结阵提供低温，优选的，低温为4K，使PJVS 芯片处于超导状态。

进一步的，驱动电路包括模拟开关控制电路和电压电流转换电路， 模拟开关控制电路与上位机和低温探杆连接，模拟开关控制电路接收 上位机的指令，产生控制低温探杆中开关的信号，使PJVS结阵工作 在I-V特性扫描、直流量子电压输出、交流量子电压输出和输出短接 四种状态下；

电压电流转换电路与上位机和低温探杆连接，电压电流转换电路 接收上位机产生的偏置矩阵，产生偏置电流，并通过低温探杆将偏置 电流输送到PJVS结阵，控制PJVS结阵偏置状态。