CN107925146B - 微波装置及利用其对光子进行非破坏性计数的方法 - Google Patents

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Abstract

一种涉及微波装置的技术(100)。泵浦谐振器(102)，其在泵浦谐振器的第一端，连接到色散非线性元件(110)和第一短截线(120A)两者。所述泵浦谐振器(102)在泵浦谐振器的第二端，电容耦合到泵浦端口(111)，其中所述第一短截线(120A)在开路中终止。量子信号谐振器(104)，其在量子信号谐振器的第一端，连接到所述色散非线性元件(110)和第二短截线(120B)两者。量子信号谐振器(104)，其在泵浦谐振器的第二端电容耦合到信号端口(113)，其中所述第二短截线(120B)连接到地。

Description

微波装置及利用其对光子进行非破坏性计数的方法
技术领域
本发明涉及在微波频域操作的量子系统的测量技术，例如超导量子电路，更具体地涉及以非破坏方式检测单个微波光子和/或单个微波光子的计数。
背景技术
光子是基本粒子，光量子和所有其他形式的电磁辐射。光子携带与辐射频率成比例的能量，并具有零静止质量。
单个微波光子的检测是一个突出的挑战的原因之一是因为单个微波光子的能量非常小。在微波领域中的光子的能量，例如在1-10千兆赫兹的范围内，至少比可见光光子的能量小104倍。
电路量子电动力学(cQED)是用于实现基于超导微波电路的量子计算机的主要体系结构之一。它采用由称为量子位的非线性超导装置构成的人造原子，所述量子位被色散耦合到微波谐振器，即量子位和谐振器的频率失谐。作为一个例子，每个超导量子位可以包括一个或多个约瑟夫森结，其被与之并联的电容器分流。量子位电容耦合到二维(2D)平面波导谐振器或三维(3D)微波腔。与量子位相关的电磁能存储在约瑟夫森结中以及形成量子位的电容和电感元件中。迄今为止，主要关注的是提高量子位的寿命，以便允许在由于量子位的退相干而丢失信息之前进行计算(即操纵和读出)。
在cQED体系结构中将超导量子位色散耦合到微波谐振器，加载谐振器并使其谐振频率取决于量子位的量子态(即，取决于量子位是在基态还是激发态，谐振器的谐振频率是不同的)。通过将几个光子量级的微波信号发送到谐振频率附近的cQED，以及测量携带关于量子位状态的信息的输出微波场的振幅和/或相位，这种性质使得量子位状态的量子非破坏性测量性能成为可能。因此，在微波领域中工作的并且可靠的单光子探测器的一个潜在应用是能够测量稀释制冷机内部的该弱输出信号(即，检测量子位状态)，而不需要使用现在通常使用的高增益，低噪声以及高隔离度输出链来执行这种测量。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种微波装置。所述微波装置包括色散非线性元件和泵浦谐振器，在泵浦谐振器的第一端，连接到所述色散非线性元件和第一短截线两者。所述泵浦谐振器在泵浦谐振器的第二端，电容耦合到泵浦端口，其中第一短截线在开路中终止。而且，所述微波装置在量子信号谐振器的第一端包括连接到色散非线性元件和第二短截线两者的量子信号谐振器。量子信号谐振器在信号谐振器的第二端，电容耦合到信号端口，其中第二短截线连接到地。
根据一个实施例，提供了一种用于光子的非破坏性计数的方法。所述方法包括响应处于泵浦谐振频率的泵浦信号和处于信号谐振频率的量子信号，将泵浦谐振器的泵浦谐振模式和量子信号谐振器的信号谐振模式耦合到色散非线性元件。泵浦谐振器的泵浦谐振模式具有泵浦谐振频率，其中量子信号谐振器的信号谐振模式具有信号谐振频率。并且，该方法包括通过以泵浦谐振频率的泵浦信号来驱动泵浦谐振模式，以及根据影响正在被测量的输出泵浦信号的泵浦谐振频率，检测量子信号中光子的存在或缺失，来创建泵浦信号与量子信号之间的非线性相互作用。
根据一个实施例，操作微波装置的方法是装置。所述方法包括由微波装置接收处于泵浦谐振频率的泵浦信号，其中泵浦谐振频率对应于泵浦谐振器的泵浦谐振模式。所述方法包括：由所述微波装置接收处于信号谐振频率的量子信号，其中所述信号谐振频率对应信号谐振器的信号谐振模式，以及响应于量子信号中的光子的数量，由所述微波装置输出具有相移的泵浦信号。
附图说明
通过本发明的技术来实现附加的特征和优点。在此详细描述了本发明的其它实施例和方面，并且被认为是所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解具有优点和特征的本发明，请参考说明书和附图，其中：
图1是根据本发明实施例的微波装置的示意图；
图2是由泵浦端口所见的微波装置的等效电路的示意图；
图3是由信号端口所见的微波装置的等效电路的示意图；
图4是利用共面波导几何的微波装置的示例实施方式的示意图；
图5是利用微带几何的微波装置的示例实施方式的示意图；
图6是使用微波装置用于光子的非破坏性计数和/或检测的方法的流程图；以及
图7是用于微波装置的方法的流程图。
具体实施方式
在光频域中，诸如光电倍增管，微波动能电感检测器和超导纳米线单光子检测器等可靠的单光子检测器被广泛用于各种实验和应用。然而，这些装置的一个缺点是它们破坏(即吸收)它们检测到的光子。
相反，在微波领域，即千兆赫兹(GHz)范围，可靠和实用的单光子检测器仍在研究和开发中。基于约瑟夫森结的工作微波光子检测器(被称为约瑟夫森光电倍增管)已经被实验研究。然而，类似于光域中的单光子检测器，该装置吸收它检测的光子。另外，开发中的这种微波装置不对输入信号中存在的光子的数量计数，它只能区分信号中零光子或至少一个光子的情况。
本发明的实施例提供了用于对单个微波光子进行计数的微波装置和测量方法的可行方案。实施例被配置为1)检测并对微波域中的特定带宽内(即，在千兆赫兹(GHz)范围，例如1-20GHz范围)的单光子的数量计数，以及2)执行检测并以非破坏性方式对光子计数，即不破坏(或吸收)被检测或计数的光子。
现在转向附图，图1是根据实施例的微波装置100的示意图。微波装置100包括用于泵浦驱动的四分之一波长谐振器102和用于量子信号的四分之一波长谐振器104。泵浦谐振器102的一端连接到耦合电容器106A，耦合电容器106A连接到泵浦馈线108。泵浦馈线108连接到泵浦端口111和/或泵浦端口111在泵浦馈线108上，泵浦馈线108从微波发生器135(表示为泵浦)接收微波泵浦信号130(即强微波音调)。泵浦谐振器102的另一端连接到色散非线性元件，例如约瑟夫森结(JJ)110，并连接到处于泵浦频率120A的半波长短截线。可以将泵浦谐振器102，约瑟夫森结(JJ)110和短截线120A的连接指定为节点A。与节点A相对，短截线120A终止于开路(O.C.)。与耦合电容器106A相对，泵浦馈线108连接到微波测量/分析装置150。微波测量/分析装置150配置成在泵浦信号130已经与微波装置100相互作用之后测量反射中的泵浦信号130。微波测量/分析装置150可以包括和/或连接到计算机，用于确定如本文进一步讨论的泵浦信号中的相移(在频率中)。微波测量/分析装置150可以包括和/或连接到一个或多个处理器，存储器(例如，计算机可读存储介质)显示屏，输入装置(例如，鼠标，键盘，触摸屏等)。泵浦135和微波测量/分析装置150经由循环器180A可操作地连接到微波装置100，但不是微波装置100的部分。
在微波装置100中，四分之一波长信号谐振器104的一端连接到耦合电容器106B，而耦合电容器106B连接到信号馈线109。信号馈线109连接到信号端口113/或信号端口113在信号馈线109上。信号馈线109被配置为从量子设备145接收微波量子信号140，即被测量/测试的微波信号。量子设备145可以是量子位，耦合到量子位的腔等。信号谐振器104的另一端连接到约瑟夫森结(JJ)110并且以泵浦频率120B连接到半波长短截线。泵浦谐振器102，约瑟夫森结(JJ)110和短截线120B的连接可以被指定为节点B。与节点B相对，短截线120B终止于短路。信号馈线109可以经由循环器180B连接到量子装置145和测量/分析装置144。测量/分析装置144可以用于进一步处理。在一个实现中，设备144可以表示50欧姆终端。连接到测量/分析装置144的循环器180B的端口确保没有反射信号被传输回量子装置145。
泵浦谐振器102具有基模，其可以被称为泵浦模式或泵浦谐振模式。泵浦谐振器102的泵浦模式具有谐振频率，其可以被称为泵浦谐振频率fP。泵浦谐振器102的泵浦模式具有波长λP，其中λP＝c’/fP并且c’是在实施装置102中使用的传输线或波导中的光速。施加到泵浦谐振器102的泵浦信号130是强相干谐振频率(即，其频率与泵浦谐振器102的谐振频率相匹配)。泵浦谐振器102被设计成具有对应于λp/4的长度，其是泵浦信号波长的四分之一。短截线120A和120B各自被设计成具有对应于λp/2的长度，其是泵浦信号波长的一半。
信号谐振器104具有基谐模，其可以被称为信号模式或信号谐振模式。信号谐振器104的信号模式具有谐振频率，其可以被称为信号谐振频率fS。输入到信号谐振器的量子微波信号140是几个单光子量级的弱谐振频率，其频率fS与信号模式的谐振频率匹配。信号谐振器104的信号模式具有波长λS，其中λS＝c’/fS和c’是在实现该装置中使用的传输线或波导中的光速。信号谐振器104被设计成具有对应于量子信号波长的四分之一的λS/4的长度。
微波设备100具有在泵浦谐振器102的(泵浦)谐振频率和信号谐振器104的(信号)谐振频率之间的频率条件。频率条件是泵浦谐振器102的泵浦谐振频率fP等于信号谐振器104的信号谐振频率fS的两倍。换句话说，频率条件是fP＝2·fS。因此，施加的信号130具有是量子信号140的频率fS的两倍的频率fP。
微波设备100被配置为使得反射的泵浦信号130(例如被识别为反射的泵浦信号130′)携带关于存在于输入量子信号140中的光子的数量的信息，从而可以被利用来对量子信号140中的光子进行计数。另外，反射的量子信号140(例如被识别为反射的量子信号140′)携带关于存在于输入泵浦信号130中的光子的数量的信息，并且因此可以被用来对在泵浦信号130中的光子计数。关于量子信号140中的光子数量的这个信息被作为取决于信号谐振器104中的光子的数量的泵浦谐振器102的谐振频率偏移的结果，在反射泵浦信号130′离开端口108的相移中被编码。反射的泵浦信号130′中的相移由微波测量/分析装置150测量和分析。
微波设备100(和/或经由泵浦信号130和量子信号140的操作)被配置为使得其可以由有效的哈密尔顿运算符(没有驱动器和馈线)
Figure GDA0002298839560000071
Figure GDA0002298839560000072
来描述，其中，
Figure GDA0002298839560000073
表示泵浦谐振模式项(被模拟为具有
Figure GDA0002298839560000074
的泵浦谐振模式的修整谐振频率的谐波振荡器)，
Figure GDA0002298839560000075
表示信号谐振模式项(被模拟为具有
Figure GDA0002298839560000076
的信号谐振模式的修整谐振频率的谐波振荡器，)，
Figure GDA0002298839560000077
代表装置的自克尔非线性，以及
Figure GDA0002298839560000078
代表装置的交叉克尔非线性。此外，K是自克尔常数(即，每光子的克尔频移)，以及K′是交叉克尔常数(即，每光子的交叉克尔频移)。此外，NP是泵浦模式的光子数量运算符(其特征值是泵浦谐振模式中的光子的数量)，其中
Figure GDA0002298839560000079
和NS是信号模式的光子数量运算符(其特征值是在信号谐振模式中的光子数量)，其中
Figure GDA00022988395600000710
和
Figure GDA00022988395600000711
其中h是普朗克常数。而且，aP和aS是量子运算符(即，与泵浦和信号谐振模式相关联的湮灭运算符)。注意的是，有时在本公开中，符号NP，NS可以用来表示数量运算符的特征值而不是数量运算符本身。还要指出的是，任何本领域技术人员都可以很容易地从上下文中作出区分。
图2是根据实施例的由泵浦端口111所见的微波装置100的等效电路的示意图。除了示出泵浦端口111见到的内容之外，图2同时示出了由处于泵浦谐振频率fP的输入泵浦信号130所见的电路。因此，关于泵浦端口111的讨论适用于输入泵浦信号130。
在所述泵浦等效电路中，图2示出经由耦合电容器106A耦合到泵浦谐振器102的传输线部分的泵浦馈线108(包括泵浦端口111)，以及经由约瑟夫森结110连接到地的泵浦谐振器的传输线部分的另一端。为了解释这个等效电路，注意到1)作为阻抗变换器的短截线120A终止于开路，并且其长度对应于泵浦信号130的波长的一半，因此节点A看到处于泵浦频率的开路，并且2)用作阻抗变换器的短截线120B终止于短路，并且其长度对应于泵浦信号130的波长的一半，因此节点B看到处于泵浦频率的短路。
该泵浦等效电路的一个有益结果是，它表明泵浦谐振模式没有看到信号谐振器104。换句话说，泵浦谐振器102与信号谐振器104隔离。
另一个有益的结果是，与泵浦谐振模式相关联的射频电流IP在约瑟夫逊结110的位置处具有波腹。
图3是根据实施例的由量子信号端口113所见的微波器件100的等效电路的示意图。除了示出信号端口113看到什么之外，图3同时示出了由处于信号谐振频率fS的输入量子信号140所见的等效电路。因此，关于信号端口113的讨论适用于输入的量子信号140。
在由信号端口所见的微波装置100的等效电路中，图3示出了经由耦合电容器106B耦合到信号谐振器104的传输线部分的信号馈线109(包括信号端口113)，以及经由约瑟夫森结110连接到地的信号谐振器104的传输线部分的另一端。由于用于泵浦频率的频率条件是fP＝2·fS(泵浦谐振器102的基本谐振模式对应于泵浦频率fP，而信号谐振器104的基本谐振模式对应于信号频率fS)，信号端口113(处于信号谐振频率fS的量子信号140)看到泵浦端口111的相反侧。
在这种情况下(即，信号端口的情况)，作为阻抗变换器的短截线120B以短路终止，并且其长度对应于信号波长的四分之一，因此节点B看到处于信号频率的开路。类似地，充当阻抗变换器的短截线120A终止于开路并且其长度对应于信号波长的四分之一，因此节点A看到处于信号频率的短路。
该信号等效电路的一个有益结果是，它表明信号谐振模式没有看到泵浦谐振器102。换句话说，信号谐振器104与泵浦谐振器102隔离。
另一个有益的结果是，与信号谐振模式相关联的射频电流IS在约瑟夫逊结110的位置处具有波腹。
值得注意的是，在此基于图1和2来阐明：1)泵浦谐振器102(忽略耦合电容器和馈线)由通过约瑟夫森结110短接到地的处于泵浦频率的四分之一波长传输线组成，以及2)信号谐振器104(忽略耦合电容器和馈线)由通过约瑟夫逊结110短接到地的处于信号频率的四分之一波长传输线组成。
微波设备100被配置为将两个微波谐振模式(即泵浦谐振模式和信号谐振模式)耦合到公共色散非线性元件，即约瑟夫森结110。
微波装置100被配置为使用一种模式，即处于泵浦谐振频率fP的泵浦模式，作为存在于第二模式中的光子的光子数量检测器，即处于信号谐振频率fS的量子信号模式。在微波装置100中，信号模式的信号谐振频率fS对应于待检测和/或计数的微波光子的微波频率。
通过处于泵浦谐振频率fP的使用强相干微波频调(即，泵浦信号130)来驱动(泵浦谐振器102的)泵浦模式，微波设备100被配置为在约瑟夫森结110上产生交叉克尔非线性效应，这导致泵浦和信号模式(并且因此在处于泵浦谐振频率fP的泵浦信号130和处于信号谐振频率fS的量子信号140之间)之间的非线性相互作用。
作为这种交叉克尔效应的结果，微波设备100被配置为使得泵浦模式的泵浦谐振频率fP变得取决于处于频率fS的信号谐振模式中的光子的数量，反之亦然。
微波设备100被配置为使得通过监测频率为fP的反射的泵浦信号130′的相位，测量/分析装置150可以在量子非破坏性测量中检测信号模式中信号光子的存在或缺失(即，以频率fS检测量子信号140中的信号光子的存在或缺失)。
微波设备100被配置为使得基于由输出泵浦信号130′获取的相移的大小来推断/确定信号模式中的光子的数量(如在泵浦馈线108处通过测量/分析设备150在反射中所测量的)。因此，微波装置100用作非破坏性微波光子检测器和计数器。通过引入泵浦模式的谐振频率的频移，微波装置100既不吸收也不破坏量子信号140中的信号光子。而是，量子信号在经由约瑟夫森结110与装置100中的泵浦信号130相互作用之后在信号馈线109处被反射离开104的微波装置100。
注意到，除了在反射中测量并在上面详细解释的泵浦和信号模式之外，微波设备100还具有两个可以在泵浦端口与信号端口之间在传输中被测量的共同的谐振模式。然而，这些共同的谐振模式在上述描述的信号-泵浦相互作用中不起作用，并且具有与泵浦和信号谐振模式失谐太远的频率(因此可以在必要时被过滤掉)。例如，对于具有大约16GHz的泵浦谐振频率和大约8GHz的信号谐振频率的装置，装置的通常模式预计在大约3GHz和13GHz处谐振。
微波设备100的两个有益的优点如下，其可以从以下装置描述中容易地推断出来：
1)使得能够检测信号光子的强泵浦驱动(即，泵浦信号130)通过与正被检测的弱信号(例如，量子信号140)不同的端口被注入；和
2)泵浦和信号模式彼此完全隔离(由于使用了短截线)。他们只通过连接各自谐振器的JJ(或JJs)相互作用。因此，按照设计，泵浦和信号端口之间不应有任何直接的功率泄漏。
图4是根据实施例的被实现为共面波导的微波装置100的示意图。在图4中，泵浦馈线108通过耦合电容器106A连接到泵浦谐振器102。泵浦馈线108和泵浦谐振器102由形成在低损耗电介质基底上的超导体制成。耦合电容器106A被实施为在泵浦馈线108与泵浦谐振器102之间的导体的间隙电容器。泵浦谐振器102具有对应于大约λP/4的长度(对于特定的泵浦谐振频率，该长度可以根据约瑟夫森结110所加入的集总电感的量而变化，该约瑟夫森结110终止泵浦谐振器的传输线部分)。接地平面405形成在泵浦谐振器102和泵浦馈线108的两侧。
量子信号馈线109通过耦合电容器106B连接到信号谐振器104。信号馈线109和信号谐振器104也由在低损耗电介质基板上形成的超导体制成。类似地，耦合电容器106B被实施为信号馈线109与信号谐振器104之间的导体的间隙电容器。信号谐振器104具有对应于大约λS/4的长度(对于特定的信号谐振频率，该长度可以根据约瑟夫森结110所加入的集总电感的量而变化，该约瑟夫森结110终止信号谐振器的传输线部分)。接地平面405形成在信号谐振器104和信号馈线109的两侧。
在节点A处，泵浦谐振器102连接到约瑟夫森结110和短截线120A。短截线120A的另一端保持开路(即以开路终止)。
在节点B处，信号谐振器104连接到约瑟夫森结110和短截线120B。短截线120B的另一端连接到接地平面405。短截线120A和120B是在本实施例中在低损耗电介质衬底上以共面波导的形式实现的超导传输线，并且短截线120A和120B的中心导体各自具有对应于λP/2的长度。
约瑟夫森结110是色散的非线性电感器，其由被阻挡层(例如，绝缘隧道阻挡层)分开的两个超导电极制成。例如，约瑟夫森结110的一个超导电极连接到节点A，而另一个超导电极连接到节点B。
图5是根据一个实施例的以微带几何形式实施的微波装置100的示意图。图5类似于图4，在图4中，根据微波设备100，微带实施方式具有形成在低损耗电介质基底上的超导体。微带和共面波导实施方式之间的一个主要区别涉及接地平面的位置。在共面波导配置(图4)中，接地平面作为中心导体与介质基板位于同一侧，而在微带结构(图5)中，接地平面位于介质基板的相对侧。
在图5中，泵浦馈线108通过耦合电容器106A连接到泵浦谐振器102。泵浦馈线108和泵浦谐振器102是在低损耗电介质基板上形成的超导体。耦合电容器106A被实现为在泵浦馈线108和泵浦谐振器102的导体之间的间隙电容器。泵浦谐振器102具有对应于λP/4的长度(对于特定的泵浦谐振频率，该长度可以根据约瑟夫森结110所加入的集总电感的量而变化，该约瑟夫森结110终止泵浦谐振器的传输线部分)。但是与图4不同，在泵浦谐振器102和泵浦馈线108的两侧没有形成接地平面，而是在介质基底的另一侧上形成接地平面。
量子信号馈线109通过耦合电容器106B连接到信号谐振器104。信号馈线109和信号谐振器104也是在低损耗电介质基底上形成的超导体。类似地，耦合电容器106B被实现为信号馈线109和信号谐振器104的导体之间的间隙电容器。信号谐振器104具有对应于λS/4的长度(对于特定的信号谐振频率，该长度可以根据约瑟夫森结110所加入的集总电感的量而变化，该约瑟夫森结110终止信号谐振器的传输线部分)。不像图4，在信号谐振器104和信号馈线109的两侧不形成接地平面，而是在电介质基底的另一侧上形成接地平面。
在节点A处，泵浦谐振器102连接到约瑟夫森结110和短截线120A。短截线120A的另一端保持开路(即以开路终止)。
在节点B处，信号谐振器104连接到约瑟夫森结110和短截线120B。短截线120B的另一端连接到接地平面405。短截线120A和120B是在本实施例中以低损耗电介质基底上的微带形式实现的超导传输线，并且短截线120A和120B的中心导体各自具有对应于λP/2的长度。
本发明的实施例的其它实现或变型是可能的。在一个实施方式中，泵浦谐振器102和信号谐振器104可以使用集总电感器(例如窄的超导导线或大的约瑟夫森结阵列)和集总电容器(例如，平面电容器或叉指电容器)来等效地实现。在各种实施方式中的一个特定条件是维持约瑟夫森结110位置处泵浦和信号模式的最大RF电流。
在另一个实施方式中，微波装置100的半波短截线120A和120B也可以使用其在泵浦谐振频率附近的等效集总元件电路来实现。
在另一个实施方式中，单个约瑟夫森结110可以被大的约瑟夫森结的阵列替换。
在又一个实施方式中，单个约瑟夫森结110可以由直流超导量子干涉装置(DC-SQUID)(或者DC-SQUID的阵列)替代，其使得能够通过改变穿过DC-SQUID环路(或DC-SQUIDs阵列的环路)的磁通量就地调谐混合元件(即，DC-SQUID中的约瑟夫森结的电感)的线性电感。
在一个实施方式中，可以通过在设备谐振器，短截线和非线性混合元件(即，约瑟夫森结110或约瑟夫森结的阵列)中并入DC-SQUID来使微波设备100频率可调。
讨论了微波装置100中的用于光子计数和检测的理论的更多细节。可以理解小标题是为了解释的目的，而不是限制。
I.约瑟夫森结的能量
在约瑟夫森结中流过的超电流满足IJ＝IOsinδ给出的电流相位关系，其中IO是约瑟夫森结的临界电流，δ是量规不变的相位差。约瑟夫森结的能量可以表示为Ej＝EJ[1-cosδ]，其中
Figure GDA0002298839560000141
是约瑟夫森能量，
Figure GDA0002298839560000142
是还原的通量-量子(e是电荷)。通过使用三角恒等式
Figure GDA0002298839560000143
我们可以将约瑟夫森结的能量重写为
Figure GDA0002298839560000144
将约瑟夫森结能量的表达式扩展到电流的四阶，我们得到
Figure GDA0002298839560000151
通过代替结电感
Figure GDA0002298839560000152
我们得到
Figure GDA0002298839560000153
其中第一项
Figure GDA0002298839560000154
修改泵浦和信号谐振器的裸谐振频率，而第二项
Figure GDA0002298839560000155
表示非线性混合项。
II.量化
基于图2和3所示的泵浦和信号端口所见的微波装置的等效电路，在约瑟夫森结中流动的射频(RF)电流是IJ＝IP-IS，其中IP和IS是在约瑟夫森结中流动的泵浦和信号微波谐振模式的射频电流。
用表示与泵浦和信号谐振模式相关联的湮没运算符的量子运算符aP，aS表达电流IP，IS给出
Figure GDA0002298839560000156
Figure GDA0002298839560000157
其中
Figure GDA0002298839560000158
是零点波动(ZPF)电流幅度由下式给出：
Figure GDA0002298839560000161
and
Figure GDA0002298839560000162
其中ωP和ωS是泵浦和信号谐振器的角谐振频率，ZP和ZS是相应谐振器的特性阻抗。
使用以下关于角谐振频率
Figure GDA0002298839560000163
和谐振器阻抗
Figure GDA0002298839560000164
的表达式，ZPF电流振幅可以重写为
Figure GDA0002298839560000165
以及 (式4)
Figure GDA0002298839560000166
其中LP，LS和CP，CS表示谐振时泵浦和信号谐振器的等效LC电路的电感和电容。
III.系统的有效哈密顿量
在不考虑馈线，驱动器和对环境的损失的情况下，系统的有效哈密顿量由如下总和给出
Heff＝Hres+Ej， (式6)
其中
Figure GDA0002298839560000167
和
Figure GDA0002298839560000168
是用于泵浦和信号模式的光子数运算符。
将方程2和3代入用于Ej的表达式(即方程式1)，同时使用方程式4和5，光子数运算符NP，NS，施加的频率条件ωP＝2ωS和旋转波近似，我们可以以如下形式写出系统的有效哈密尔顿函数(式6)
Figure GDA0002298839560000171
其中第一项和第二项中的
Figure GDA0002298839560000172
是泵浦模式和信号模式的修整角谐振频率，其包括由于约瑟夫森结的谐振器的感应负载(由方程式1中的第一项表示)，表示自克尔和交叉克尔非线性的第三和第四项中的K，K′分别对应于自克尔和交叉克尔常数。
在推导方程式7中，我们还使用了与信号模式相比强烈地驱动泵浦模式的事实，并且两个模式aP，aS的玻色子运算符彼此交换以及相同模式的玻色子运算符满足通常的以下形式的交换关系：
Figure GDA0002298839560000173
方程式7中的自克尔常数由
Figure GDA0002298839560000174
给出，我们可以用JJ的线性电感相对泵浦谐振器的总电感的参与比率
Figure GDA0002298839560000179
和JJ的等离子体频率
Figure GDA0002298839560000175
来重写
Figure GDA0002298839560000176
类似地，方程式7中的交叉克尔常数可以由
Figure GDA0002298839560000177
给出，我们可以用pP，ωJ以及JJ的线性电感相对于信号谐振器的总电感的参与比例
Figure GDA0002298839560000178
来重写
Figure GDA0002298839560000181
IV.每个光子的谐振频移
为了更好地理解装置的基本思想，我们重新排列方程式7中的项，于是系统的有效哈密尔顿函数读做
Figure GDA0002298839560000182
这种形式表明，通过在克尔效应可观的非线性区域中操作该装置，自克尔和交叉克尔非线性导致泵浦模式的修整角谐振频率取决于泵浦和信号谐振模式中存在的光子的数量而偏移。此外，由于泵浦模式是在某个工作点上被外部驱动，进入信号谐振器的信号光子会将泵浦谐振频率偏移K′NS，其正比于它们的数量，因此交叉克尔常数K′对应于每个光子的频移。
要注意的是，为了使用该装置检测(即解决存在)单个微波光子，由于交叉克尔非线性(即K′)引起的每个光子的频移应等于或大于在工作点处的泵浦谐振模式的线宽(即带宽)。
V.使用典型数值的设计实例
在所提出的微波装置100的设计实例中，利用各种参数的可行数值。用于泵浦模式的修整谐振频率为
Figure GDA0002298839560000183
用于信号模式的修整谐振频率是
Figure GDA0002298839560000184
谐振器的阻抗ZP＝ZS＝50(请注意，较低的特性阻抗也是可行的，并且预期在装置性能方面更为有利)。使用关系
Figure GDA0002298839560000191
我们得到LP＝0.5毫微亨利(nH)的估计，LS＝1nH。假设I0＝1微安(μA)，则LJ＝0.3nH以及
Figure GDA0002298839560000192
使用LPS和LJ的值，我们得到了用于泵浦和信号谐振器的参与比率的估计值
Figure GDA0002298839560000193
和
Figure GDA0002298839560000194
将这些值代入方程8和9产生
Figure GDA0002298839560000195
和
Figure GDA0002298839560000196
通过将泵浦谐振模式设计为具有比每个光子的这些频移小的线宽(这完全可以利用现有技术的超导微波电路来实现)，微波设备100被配置为检测由测量/分析装置150所测量的单个量子信号光子。
为了使装置在一个实施方式中正确地工作，其需要满足两个额外的要求。对于第一个要求，两个谐振器的内部品质因子在单光子水平＞105时应尽可能高，并且至少比由谐振器，馈线和它们的特性阻抗之间的耦合电容器设置的谐振器的外部品质因子大2个数量级。这个要求使得被检测的信号光子和检测它们的泵浦光子不会以比它们进入和离开两个谐振器的速率更高的速率损失到谐振器中的内部损耗机制。这种要求的一个明显的后果是两个谐振器的总品质因数主要由外部品质因素设置。
对于第二要求，偏置点处的泵浦谐振器的带宽应当等于或大于信号谐振器的带宽。换句话说，泵浦谐振器的响应时间应该等于或短于信号谐振器的响应时间。这个要求是为了让泵浦光子有足够的时间在信号光子通过信号馈线离开装置之前检测信号光子。需要指出的是，这两个要求是在这里讨论的超导微波电路中实现的。
在一个实施方式中，用于(实验地)校准用于某个泵浦驱动的交叉克尔常数K′的值的技术是通过改变处于信号频率的施加给信号谐振器的相干音调的输入功率，同时使用叠加在泵浦驱动器上的非常弱的探针(平均少于一个光子)，为每个输入功率测量泵浦谐振器的复合反射参数作为频率的函数。通过提取所测量的泵浦谐振频率相对信号功率的斜率并且使用信号谐振频率和信号谐振器带宽的事先知识，可以计算出常数K′。
在一个实施方式中，使用该装置(实验地)检测单个信号光子的技术是通过监测在没有输入信号(即NS＝0)的情况下在泵浦谐振频率施加的反射的泵浦驱动的相位。当1-3个光子量级的信号光子进入信号谐振器并通过JJ(即非线性色散元件)与泵浦模式相互作用时，泵浦模式的谐振频率向下移动多个K′/2π，其与信号谐振器中的信号光子的数量成正比。由于泵浦模式的这种谐振频率偏移的结果，反射的泵浦驱动的相位也相应地移位。通过测量这个相移，可以推断进入该设备的信号光子的数量(大约为1-3)。
为了使用该装置实时对更大数量的输入信号光子计数，例如在3到10之间，可以采用更复杂的测量技术。例如，可以在低于泵浦谐振频率，没有输入信号(即，Ns＝0)的位于
Figure GDA0002298839560000201
的频率处，对施加到泵浦谐振器的多个相对较弱的音调(为了不改变设备操作)的反射相位进行连续监测。根据该方法，如果在低于泵浦谐振频率，没有输入信号(即，Ns＝0)的频率
Figure GDA0002298839560000202
处施加的反射的弱音调中检测到相移，则这高概率指示输入信号包含NS光子。
测量超过几个光子的大数量的微波光子对于某些量子应用可能不是有用的，因此该装置可能不会相应地被调谐。还要注意的是，与泵浦驱动相比，系统的有效哈密顿量是在非常微弱的信号极限下专门得到的。因此，通过进一步增加超过几个光子的信号的强度，预期哈密顿(式10)的推导中忽略的其它不想要的非线性项将起作用。没有性能的显著降低的情况下，装置可以检测或计数的输入信号光子的确切数量，当然可以根据多个设计参数(例如JJ或JJ的临界电流，参与率，谐振器的带宽，谐振器的特性阻抗以及谐振器的具体实施方式)从一个装置变化到另一个装置以及从一个实施方案变化到另一个实施方案。
现在转到图6，根据一个实施例，提供了使用微波装置100用于微波光子的非破坏性计数和/或检测微波光子的方法600的流程图。
在框605处，响应于处于泵浦谐振频率fP的泵浦信号130和处于信号谐振频率fS的量子信号140，微波设备100被配置为将泵浦谐振器102的泵浦谐振模式(基本谐振模式)和量子信号谐振器104的信号谐振模式(例如基本谐振模式)耦合到色散非线性元件(例如约瑟夫森结110)。泵浦谐振器102的泵浦谐振模式具有泵浦谐振频率fP，并且量子信号谐振器的信号谐振模式具有信号谐振频率。
在方框610处，微波设备100被配置为通过用处于泵浦谐振频率fP的相干泵浦信号130强烈地驱动泵浦谐振模式(即，泵浦模式)在泵浦信号130与量子信号140之间创建非线性相互作用\混合(即，经由约瑟夫森结110)。
在框615处，微波设备100被配置为根据影响输出泵浦信号130′(从微波装置100反射的)的相位的泵浦模式的谐振频率，能够检测在量子信号140中存在或缺失光子。
微波装置100被配置为激发色散非线性元件中的交叉克尔非线性效应，由此引起泵浦信号130和量子信号140之间的非线性相互作用。微波装置100被配置成使得泵浦模式的泵浦谐振频率作为在装置中发生的交叉克尔非线性效应的结果(这可以通过考虑装置的输入-输出关系来示出)，取决于量子信号140中的光子的数量。
量子信号140中的光子的数量由泵浦谐振频率中的频移的大小来确定。频移是交叉克尔系数的倍数。建立基线频移，使得频移表示为大于先前建立的基线频移。频移表示量子信号中的光子的数量，而在接收量子信号之前建立基线频移。泵浦信号中基线频移的每个倍数表示量子信号的单光子计数，使得O-N光子对应于基线频移的O-M倍，其中N是光子的最后数目，M是基线频移的最后一个倍数。
图7是根据实施例的用于微波装置100的方法700的流程图。可以参考图1-5。
在框705处，微波装置100被配置为以泵浦谐振频率fP接收强相干泵浦信号130，其中泵浦谐振频率对应于泵浦谐振器102的泵浦谐振(基本)模式。
在框710处，微波设备100被配置为接收处于信号谐振频率fS的量子信号140，其中信号谐振频率对应于信号谐振器104的信号谐振(基本)模式。
在框715处，微波装置100被配置为响应于取决于量子信号140中的光子的数量的泵浦模式的泵浦谐振频率偏移来输出具有相移的泵浦信号130′。
应当注意，如本领域技术人员所理解的，可以利用各种微电子器件制造方法来制造本文所讨论的部件/元件。在超导和半导体器件制造中，各种加工步骤分为四大通常的类：沉积，去除，图案化和电学性质的改变。
沉积是生长，涂覆或以其他方式将材料转移到晶片上的任何过程。可用的技术包括物理气相沉积(PVD)，化学气相沉积(CVD)，电化学沉积(ECD)，分子束外延(MBE)以及最近的原子层沉积(ALD)等等。
去除是从晶片去除材料的任何工艺：实例包括蚀刻工艺(湿法或干法)和化学机械平坦化(CMP)等。
图案化是沉积材料的成形或改变，并且通常被称为光刻。例如，在常规的光刻中，晶片被称为光致抗蚀剂的化学物质涂覆；然后，称为步进器的机器聚焦，对准并移动掩模，将下面晶片的选定部分暴露于短波长光；曝光区域被显影剂溶液冲走。在蚀刻或其他处理之后，去除剩余的光致抗蚀剂。图案化还包括电子束光刻。
电特性的改变可以包括掺杂，例如通常通过扩散和/或通过离子注入，掺杂晶体管源极和漏极。这些掺杂过程之后是炉退火或快速热退火(RTA)。退火用于激活注入的掺杂剂。
附图中的流程图和框图图示了根据本发明的各种实施例的系统，方法和计算机程序产品的可能实现的架构，功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框可以表示包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令的指令的模块，段或部分。在一些替代实施方式中，方框中提到的功能可以不按照附图中标注的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者框有时可以以相反的顺序执行。还要注意的是，框图和/或流程图中的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定的功能或动作或执行专用硬件和计算机指令的组合的基于专用硬件的系统执行。
已经出于说明的目的给出了对本发明的各种实施例的描述，但是并非旨在穷举或限于所公开的实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择在此使用的术语是为了最好地解释实施例的原理，实际应用或对于市场中技术的技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文公开的本发明的实施例。

Claims (20)

1.一种微波装置，包括：
色散非线性元件；
泵浦谐振器，其在该泵浦谐振器的第一端连接到所述色散非线性元件和第一短截线两者，并且在该泵浦谐振器的第二端电容耦合到泵浦端口，其中所述第一短截线在开路中终止；以及
量子信号谐振器，其在该量子信号谐振器的第一端连接到所述色散非线性元件和第二短截线两者，并且在该量子信号谐振器的第二端电容耦合到信号端口，其中所述第二短截线连接到地。
2.根据权利要求1所述的微波装置，其中所述色散非线性元件包括约瑟夫森结。
3.根据权利要求2所述的微波装置，其中所述色散非线性元件包括约瑟夫森结的阵列。
4.根据权利要求1所述的微波装置，其中所述泵浦谐振器包括具有泵浦谐振频率和泵浦波长的泵浦谐振模式；
其中所述泵浦谐振器的长度对应于所述泵浦波长的四分之一波长；
其中所述量子信号谐振器包括具有信号谐振频率和信号波长的信号谐振模式；
其中所述量子信号谐振器的长度对应于信号波长的四分之一波长；以及
其中所述泵浦谐振模式和所述信号谐振模式被耦合到所述色散非线性元件。
5.根据权利要求4所述的微波装置，其中所述泵浦端口和所述信号端口在空间上分开，并且所述泵浦谐振模式和所述信号谐振模式经由所述第一短截线和所述第二短截线彼此隔离，使得在所述泵浦和信号端口之间不会发生直接的电力泄漏；以及
其中所述泵浦谐振器和所述量子信号谐振器被配置为使得所述泵浦谐振模式根据所述信号谐振频率处的输入量子信号中的光子的数量来获得频移。
6.根据权利要求5所述的微波装置，其中所述泵浦谐振器和所述量子信号谐振器被配置为使得响应于输入泵浦信号在所述色散非线性元件中产生交叉克尔非线性效应，由此在所述泵浦谐振模式和所述信号谐振模式之间创建非线性相互作用。
7.根据权利要求6所述的微波装置，其中所述交叉克尔非线性效应导致处于所述泵浦谐振频率的反射的泵浦信号取决于处于所述信号谐振频率的输入量子信号中的所述光子的数量。
8.根据权利要求6所述的微波装置，其中所述交叉克尔非线性效应导致处于所述信号谐振频率的反射的量子信号取决于处于所述泵浦谐振频率的输入泵浦信号中的光子的数量。
9.根据权利要求7所述的微波装置，其中所述泵浦谐振器被配置为使得处于所述泵浦谐振频率的所述反射的泵浦信号携带关于所述输入量子信号中的所述光子的存在或缺失的信息。
10.根据权利要求5所述的微波装置，其中所述泵浦谐振器被配置为使得所述泵浦谐振频率中的所述频移的大小决定所述输入量子信号中的所述光子的数量。
11.根据权利要求5所述的微波装置，其中所述泵浦谐振器，所述量子信号谐振器，所述第一短截线和所述第二短截线以及所述色散非线性元件被配置为既不破坏也不吸收所述输入量子信号中的光子，而所述泵浦谐振模式的频移对所述输入量子信号中的所述光子的数量计数。
12.一种用于经由如权利要求1所述的微波装置对光子进行非破坏性计数的方法，所述方法包括：
响应于处于泵浦谐振频率的泵浦信号和处于信号谐振频率的量子信号，将泵浦谐振器的泵浦谐振模式和量子信号谐振器的信号谐振模式耦合到所述色散非线性元件，其中所述泵浦谐振器的泵浦谐振模式具有所述泵浦谐振频率，其中所述量子信号谐振器的信号谐振模式具有所述信号谐振频率；
通过以处于所述泵浦谐振频率的所述泵浦信号驱动所述泵浦谐振模式，在所述泵浦信号与所述量子信号之间创建非线性相互作用；以及
根据影响正被测量的输出泵浦信号的泵浦谐振频率检测所述量子信号中光子的存在或缺失。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括激发所述色散非线性元件中的交叉克尔非线性效应，由此引起所述泵浦信号与所述量子信号之间的非线性相互作用。
14.根据权利要求12所述的方法，其中作为交叉克尔非线性效应的结果，所述输出泵浦信号的泵浦谐振频率中的频移的大小决定所述量子信号中的所述光子的数量。
15.根据权利要求14所述的方法，包括通过所述输出泵浦信号中的相移的大小来确定所述量子信号中的光子的数量。
16.如权利要求14所述的方法，其中频移是交叉克尔系数的倍数。
17.根据权利要求16所述的方法，包括建立基线频移，使得所述频移被表示为大于先前建立的基线频移。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述频移表示所述量子信号中的光子的数量，而在接收所述量子信号之前建立所述基线频移。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述泵浦谐振频率中的基线频移的每个倍数表示所述量子信号的单光子计数，使得0-N光子对应于所述基线频移的0-M倍，其中N是所述光子的最后数目，M是基线频移的最后倍数。
20.一种操作如权利要求1所述的微波装置的方法，所述方法包括：
由所述微波装置接收处于泵浦谐振频率的泵浦信号，所述泵浦谐振频率对应于所述泵浦谐振器的泵浦谐振模式；
由所述微波装置接收处于信号谐振频率的量子信号，所述信号谐振频率对应于所述信号谐振器的信号谐振模式；以及
响应于所述量子信号中的光子的数量，由所述微波装置输出具有相移的所述泵浦信号。
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