本發明涉及量子超導測量，尤其涉及一種量子超導芯片片上溫度和磁場環境的測量方法及電路。
背景技術：
1、導體在常溫下都具有一定電阻，然而某些特殊金屬材料，如鉛、錫、鈮等分別冷卻到某個特定的極低溫度以下時，它兩端所呈現的電阻特性突然消失為零，產生超導現象。在極低溫下，表現出超導現象的這類金屬材料被稱為超導體。
2、將兩個超導體中間夾入一片薄薄的絕緣體或普通金屬（厚度約為10埃），構成超導體(s)-絕緣體(i)-超導體或超導體(s)-普通金屬-超導體的結構，液氦溫區（4.2?k），且不對該結構施加任何電壓的情況下，該結構中一個超導體內部的庫伯電子對可以穿過絕緣體，到達另一個超導體，形成電流。這種現象被稱為超導約瑟夫森效應，這種sis（superconductor?insulator-superconductor）或sns（superconductor?normal?metal-superconductor）結構稱為約瑟夫森結。
3、約瑟夫森結兩端的電壓v=0時，結中可存在超導電流，它是由超導體中的庫珀對的隧道效應引起的。只要該超導電流小于某一臨界電流ic，就始終保持此零電壓現象，ic稱為約瑟夫森臨界電流。
4、約瑟夫森結在現代量子電路當中有許多重要的應用，例如約瑟夫森電壓基準系統（jvs）、超導量子干涉儀（squids）、超導量子計算以及快速單磁通量子（rsfq）數字電子設備等。目前，約瑟夫森結和基于約瑟夫森結的量子超導芯片大部分使用超導材料鈮及其合金制造，其超導轉變溫度約為10k（-263.15℃）。上述設備正常工作溫度一般在幾十個毫k到液氦溫度（4.2k）之間，工作時無法直接與外界接觸且一般空間小對外部熱源和磁場非常敏感而難以測溫。由于常規的液氦浸泡量子超導芯片的方法只能將芯片的溫度維持在4.2k，對于一些需要更低溫環境工作的量子芯片，需要使用干式制冷機或其他方法將溫度進一步降低。此類方法由于需要抽真空保溫，因此安裝在制冷機冷頭上的沒有液氦類似的“浸泡”環境。同時受限于芯片的安裝方法、中間各層的熱阻以及芯片工作時的發熱，芯片片上溫度與制冷機冷頭處設定的溫度存在溫度差，因此無法實時準確獲得量子超導芯片工作時的溫度，對量子超導芯片的使用帶來了一些不利影響。
5、在現有技術中利用熱敏電阻在極低溫環境下進行測溫需要測量極微弱的電流信號，加上導線熱電勢的影響，測量精度難以保證。且測溫用電阻獨立于量子超導芯片，即使安裝到超導量子系統中，也必然設置在量子超導芯片以外，其測量結果同樣難以反應量子超導芯片本身的溫度。或者采用的測溫比特由約瑟夫森結和一個電容并聯組成，并且信號讀出所需的諧振腔也使用了電容。雖然測溫電路直接集成在量子芯片上，但是由于半導體制造工藝限制，電容的相對占用芯片的面積較大，對于空間利用敏感的大規模集成的量子超導芯片的電路設計不利。且其標定、信號讀出以及溫度計算的方法比較復雜，同時測量范圍較窄，不能很好的勝任液氦溫區的溫度測量。因此需要一種量子超導芯片片上溫度和磁場環境的測量方法及電路。
技術實現思路
1、本發明的目的是要提供一種量子超導芯片片上溫度和磁場環境的測量方法及電路。
2、為達到上述目的，本發明是按照以下技術方案實施的：
3、本發明包括包括量子超導芯片，所述量子超導芯片設置有測溫模塊和磁場測量模塊，所述測溫模塊和磁場測量模塊設置在硅片上并通過?3d?封裝在所述量子超導芯片上，所述測溫模塊包括集成的一個或多個串聯的用于測溫的約瑟夫森結；所述磁場測量模塊包括集成的兩個由超導線連接的并聯的約瑟夫森結組成的直流超導量子干涉器?dc-squid結構。
4、另一方面，一種量子超導芯片片上溫度和磁場環境的測量電路，包括量子超導芯片，所述量子超導芯片設置有測溫磁場測量模塊，所述測溫磁場測量模塊使用兩個約瑟夫森結并聯組成?dc-squid?結構，并且在其中一條超導線支路附近緊貼放置外接電阻上，當需要測溫時，向所述電阻中通入電流，升高電阻溫度，加熱局部超導線，使其中一路失超，此時只有一個約瑟夫森結接入電路；當需要測量磁場時，切斷所述電阻中的電流，使超導線恢復超導，此時兩個約瑟夫森結并聯組成?dc-squid?結構。
5、另一方面，?一種量子超導芯片片上溫度和磁場環境的測量方法，應用于測量電路，包括以下步驟：
6、當芯片溫度降至?10k?以下時，約瑟夫森結開始進入超導態，測量約瑟夫森結的臨界電流大小和溫度，根據溫度?-?臨界電流的關系得到當前芯片上的實際溫度；
7、通過測量?dc-squid?兩端的電壓得到穿過超導環的磁通大小和磁場強度，進而獲得量子超導芯片片上垂直方向的平均磁場大小。
8、進一步地，利用測溫磁場測量模塊進行溫度測量的步驟包括：向電阻中通入電流，升高電阻溫度，加熱局部超導線，使其中一路失超，此時只有一個約瑟夫森結接入電路，測量接入電路的約瑟夫森結的臨界電流，根據溫度-臨界電流的關系得到當前芯片上的實際溫度。
9、進一步地，利用測溫磁場測量模塊進行磁場測量的步驟包括：切斷電阻中的電流，使超導線恢復超導，此時兩個約瑟夫森結并聯組成?dc-squid?結構，通過測量?dc-squid兩端的電壓得到穿過超導環的磁通大小，進而獲得量子超導芯片片上垂直方向的平均磁場大小。
10、本發明的有益效果是：
11、本發明提出了一種片上集成的基于約瑟夫森結的量子超導芯片片上溫度和磁場環境測量方法及電路，與現有超導芯片測溫方法相比有結構簡單、測量方法簡單、標定與溫度計算方法簡單以及靈敏度高、測量范圍寬的優點，可以有效解決量子超導芯片的溫度和磁場測量問題。
1.一種量子超導芯片片上溫度和磁場環境的測量電路，包括量子超導芯片，其特征在于，所述量子超導芯片設置有測溫模塊和磁場測量模塊，所述測溫模塊和磁場測量模塊設置在硅片上并通過?3d?封裝在所述量子超導芯片上，所述測溫模塊包括集成的一個或多個串聯的用于測溫的約瑟夫森結；所述磁場測量模塊包括集成的兩個由超導線連接的并聯的約瑟夫森結組成的直流超導量子干涉器dc-squid結構。
2.一種量子超導芯片片上溫度和磁場環境的測量電路，包括量子超導芯片，其特征在于，所述量子超導芯片設置有測溫磁場測量模塊，所述測溫磁場測量模塊使用兩個約瑟夫森結并聯組成dc-squid結構，并且在其中一條超導線支路附近緊貼放置外接電阻上，當需要測溫時，向所述電阻中通入電流，升高電阻溫度，加熱局部超導線，使其中一路失超，此時只有一個約瑟夫森結接入電路；當需要測量磁場時，切斷所述電阻中的電流，使超導線恢復超導，此時兩個約瑟夫森結并聯組成dc-squid結構。
3.一種量子超導芯片片上溫度和磁場環境的測量方法，應用于權利要求?1或2所述的測量電路，其特征在于，包括以下步驟：
4.根據權利要求3所述的測量方法，其特征在于，利用測溫磁場測量模塊進行溫度測量的步驟包括：向電阻中通入電流，升高電阻溫度，加熱局部超導線，使其中一路失超，此時只有一個約瑟夫森結接入電路，測量接入電路的約瑟夫森結的臨界電流，根據溫度-臨界電流的關系得到當前芯片上的實際溫度。
5.根據權利要求3所述的測量方法，其特征在于，利用測溫磁場測量模塊進行磁場測量的步驟包括：切斷電阻中的電流，使超導線恢復超導，此時兩個約瑟夫森結并聯組成?dc-squid?結構，通過測量?dc-squid?兩端的電壓得到穿過超導環的磁通大小，進而獲得量子超導芯片片上垂直方向的平均磁場大小。