CN108140716B - 多模约瑟夫逊参数转换器 - Google Patents

多模约瑟夫逊参数转换器 Download PDF

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Abstract

一种涉及操作多模约瑟夫逊参数转换器作为多模量子限幅放大器的技术。多模约瑟夫逊参数转换器在不同的谐振频率并行接收多个量子信号。多模约瑟夫逊参数转换器根据应用到多模约瑟夫逊参数转换器的泵浦信号同时放大多个量子信号。根据泵浦信号，已经在不同谐振频率下被放大的多个量子信号被反射。

Description

多模约瑟夫逊参数转换器
背景技术
本发明涉及使用超导电路的微波领域中的量子信息处理，并且更具体地涉及操作多模约瑟夫逊参数转换器。
固态量子信息处理方面的最新进展促使在微波领域寻求具有量子限制性能的放大器和变频器。取决于应用于电磁场的单个空间和时间模式的正交的增益，线性放大器可以被分成具有根本不同的噪声特性的两类(相敏和相位保持)。相敏放大器在微波场的一个正交中挤压输入噪声和信号，代价是在另一个正交中使噪声和信号膨胀而不将自己的噪声加到已处理的信号上，但是这仅在量子信息在微波场的一个正交中被编码的情况下是有用的。另一方面，相位保持放大器放大输入噪声和信号的两个正交信号，其代价是在信号频率处至少增加等于半输入光子的噪声。这种放大器在许多量子应用中是有用的，包括量子位读出。一个非退化的本质相位保持超导参数放大器的成功实现是基于约瑟夫逊环调制器，它由惠斯通电桥结构中的四个约瑟夫逊结构成。装置对称性增强了放大过程的纯度，即消除或最小化某些不希望的非线性过程，并且还简化了操作和分析。概要
根据一个方面，提供了一种操作多模约瑟夫逊参数转换器作为多模量子限幅放大器的方法。该方法包括由多模约瑟夫逊参数转换器接收在不同谐振频率下并行的多个量子信号，并且根据应用于多模约瑟夫逊参数转换器的泵浦信号，由多模约瑟夫逊参数转换器同时放大该多个量子信号。而且，该方法包括根据泵浦信号反射已经在不同谐振频率处放大的多个量子信号。
根据另一方面，提供一种操作多模约瑟夫逊参数转换器以产生多个纠缠光子对的方法。该方法包括由多模约瑟夫逊参数转换器中的第一多模谐振器接收在第一多模谐振器的谐振模式的不同谐振频率下的第一组信号，其中第一多模谐振器是第一左手传输线。该方法包括由多模约瑟夫逊参数转换器中的第二多模谐振器接收在第二多模谐振器的谐振模式的不同谐振频率处的第二组信号，其中第二多谐振器是第二左手传输线。此外，该方法包括由第二多模谐振器接收泵浦信号，其中泵浦信号是第一频率和直至最后一个频率和，并且产生纠缠光子对，该纠缠光子对包括第一对直至最后一对。
根据另一方面，提供了一种通过测量来远程纠缠多个量子位的方法。该方法包括由多模约瑟夫逊参数转换器中的第一多模谐振器接收与第一多模谐振器的谐振模式共振的第一组读出信号，其中第一多模谐振器是第一左手传输线。该方法包括由多模约瑟夫逊参数转换器中的第二多模谐振器接收与第二多模谐振器的谐振模式共振的第二组读出信号，其中第二多模谐振器是第二左手传输线。此外，该方法包括由第二多模谐振器接收泵浦信号，其中泵浦信号是第一频率和直至最后一个频率和，并且由约瑟夫逊参数转换器产生基于第一频率和的第一量子位对直至基于最后一个频率和的最后一个量子位对。
根据一个实施例，一种使用光子作为量子位来产生钟状态的方法。该方法包括提供均连接到色散非线性介质的第一多模谐振器和第二多模谐振器，其中第一多模谐振器是第一左手传输线而第二多模谐振器是第二左手传输线，并且其中第一和第二多模谐振器中的谐振模式是相同的。该方法包括由第二多模式谐振器在频率和处接收泵浦信号，其中频率和是谐振模式的谐振频率加上谐振模式的另一个谐振频率的总和。而且，该方法包括在空间状态的相等叠加中产生第一光子和第二光子，其中第一和第二光子的空间状态的相等叠加与在第一多模式谐振器和第二多模式谐振器内相关。
附图说明
现在将参照附图仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明一个实施例的量子微波装置的高级示意图。
图2是根据一个实施例的在多模约瑟夫逊参数转换器的多模微波谐振器中使用的半无限无损左手传输线的电路表示。
图3是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器的示意图。
图4是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器的共面波导实现。
图5是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器的半共面带状线实现。
图6是根据一个实施例的配置微波装置的方法的流程图。
图7是根据一个实施例的操作多模约瑟夫逊参数转换器作为多模量子限幅放大器的方法的流程图。
图8是根据一个实施例的通过使用多模约瑟夫逊参数转换器的测量来远程纠缠多个量子位的微波量子装置的示意图。
图9是根据一个实施例的通过测量远程纠缠多个量子位的方法的流程图。
图10是根据一个实施例的通过应用纠缠光子以使用多模约瑟夫逊参数转换器读出多个量子位的状态来远程纠缠多个量子位的微波量子设备的示意图。
图11是根据一个实施例的操作多模约瑟夫逊参数转换器以生成多对纠缠光子的方法的流程图。
图12是根据一个实施例的使用光子作为量子位来产生钟状态的方法的流程图。
详细说明
实施例公开了一种适用于量子信息处理的基于约瑟夫逊环调制器的量子装置。该量子装置包括耦合到使用超材料/左手传输线实现的多模谐振器的约瑟夫逊环调制器，从而形成多模约瑟夫逊参数转换器。
图1是根据一个实施例的量子微波装置100的高级示意图。该量子装置100包括多模约瑟夫逊环调制器(JRM)105，该JRM105是基于可以在量子极限处执行微波信号的三波混频的约瑟夫逊隧道结102A，102B，102C和102D的非线性色散元件。该JRM105由四个名义上相同的布置成惠斯通电桥配置的约瑟夫逊结102A-102D组成。为了构建能够在量子极限处放大和/或混合微波信号的非退化参数装置，即多模约瑟夫逊参数转换器(JPC)130，JRM 105在其多个本征模的射频(RF)电流腹上并入两个多模微波谐振器。
其中一个多模微波谐振器是多模谐振器_a 115A，另一个是多模谐振器_b 115B。如下面所进一步讨论的，多模谐振器_a 115A是具有N个单位单元的左手传输线，并且多模谐振器_b 115B是具有M个单位单元的左手传输线。耦合电容器110A将多模谐振器_a 115A连接到端口_a 120A，而耦合电容器110B将多模谐振器_b 115B连接到端口_b120B。多模JPC130包括多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B以及JRM 105。
多模JPC130的性能(即功率增益G，动态带宽γ和最大输入功率Pmax)强依赖于JRM105的约瑟夫逊结102A-102D的临界电流I0，电磁环境的具体实现(即，微波多模谐振器_a 115A和微波多模谐振器_b 115B)，JRM 105和多模谐振器115A及115B之间的耦合以及多模谐振器与馈线之间的耦合。
端口_a 120A和/或端口_b 120B可以是微波同轴线或波导。尽管未示出，但连接到量子设备100的其它设备可以包括混合器，衰减器，循环器，隔离器，低通微波滤波器，带通微波滤波器，红外滤波器和量子位-位腔(qubit-cavity)系统。
图2是根据一个实施例的可用于构造多模微波谐振器_a 115A和多模微波谐振器_b 115B的半无限无损左手传输线的电路。单位单元，例如用于微波多模谐振器_a 115A的单位单元205A和用于微波多模谐振器_b 115B的单位单元205B，包括连接到电感器Ll的电容器Cl，其中“l”表示左手传输线。电感器Ll的另一端接地。单位单元205A，205B连接到另一个单位单元，该另一个单位单元与又一个单位单元连接，诸如此类。如下面进一步所示，对于多模谐振器_a 115A，单位单元205A被重复N次，并且对于多模谐振器_b 115B，单位单元205B被重复M次。
左手传输线的色散关系为：
Figure BDA0001612070770000041
其中Δx是单位单元的大小，kl是波向量。
左手传输线的相位和群速度具有相反的方向。
Figure BDA0001612070770000042
其中k是kl。这种关系的一个结果是，在左手传输线中，低频对应于短波长。相反，在色散关系随着波向量而增加的右手传输线中，低频对应于长波长。
左手传输线的特性阻抗是
Figure BDA0001612070770000043
左手传输线的低频边界是
Figure BDA0001612070770000044
图3是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器130的示意图。在图3中，180°混合耦合器305A可以连接到端口_a 120A，并且180°混合耦合器305B可以连接到端口_120B。
一个180°混合器是一个4端口的微波设备，它是互易的(reciprocal)，匹配的，理想地无损的。180°混合器将输入信号分成两个相等幅度的输出。当从其总和端口(Σ)馈入时，180°混合器提供两个等幅同相的输出信号，而当从差分端口(Δ)馈入时，它提供两个等幅180°异相的输出信号。
一种情况假设存在位于多模微波谐振器_a的谐振模式之一的带宽内的信号(S)音调，该多模微波谐振器_a强耦合到JRM并通过180°混合器305A的Δ端口输入，50欧姆(Ω)终端连接到180°混合器305A的Σ端口。它还假设存在一个惰轮(I)音调，其位于多模微波谐振器_b的谐振模式之一的带宽内，该多模微波谐振器_b强耦合到JRM，并通过180°混合器305B的Δ端口输入，并且泵(P)音调输入到180°混合器305B的Σ端口。请注意，为了馈送该装置，可以使用不同频率的多个泵浦音调。
该装置的两个主要操作模式是放大模式(具有光子增益)和单一的频率转换模式(没有光子增益)，在放大模式中，应用的泵浦频率fP满足关系fP＝fI+fS,其中fS和fS分别是信号(S)和惰轮(I)音调的频率，以及在单一的频率转换模式中，应用的泵浦频率fP满足关系fP＝|fI-fS|。
这里根据实施例讨论具有多模约瑟夫逊参数转换器130的量子装置的不同实现。
相反，对于现有技术的由右手传输线(例如，微带谐振器)制成的双差模(标准非退化)约瑟夫逊参数转换器，其中JRM强耦合到感兴趣的频带(例如，5-15GHz)内的设备的两个物理谐振器的两个基本共振模式，在实施例中使用超材料/左手传输线来实现的多模JPC130的两个多模谐振器(即，多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B)可被设计和工程化成使得JRM 105强耦合到感兴趣的频带内的多个差分模式。即，每个多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B在感兴趣的频带(例如，5-15GHz)内具有多个谐振模式，其中许多强耦合到JRM 105，与现有技术相反，现有技术中感兴趣的频带内的谐振器(仅)有两个差分谐振模式强耦合到JRM。
多模意味着在感兴趣的某个频带(例如，5-15GHz)内，多模谐振器_a115A具有多个谐振模式，并且多模谐振器_b115B具有多个谐振模式。这意味着多模谐振器_a115A被配置为在从可以包括数百个谐振频率的感兴趣的特定频带内的第一谐振频率到最后谐振频率的多个谐振频率下谐振。类似地，多模谐振器_b115B被配置为在从可以包括数百个谐振频率的感兴趣的特定频带(例如，5-15GHz)内的第一谐振频率到最后谐振频率的多个谐振频率下谐振。
左手传输线/谐振器(分别实现为多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B)的一个显著特性是它们具有接近其低频界ωIR的大的模式密度(即，谐振模式密度)，这使得他们成为在感兴趣的频段内的多模谐振器。对于超导装置中的量子测量，感兴趣的频带是大约5-15千兆赫(GHz)的微波频带(通常用于量子位读出和测量)。多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B各自可以具有大约5-15GHz之间的高密度谐振模式(即，谐波或谐振频率)，这对于量子测量是有益的。相反，在现有技术中右手传输线(作为谐振器)在大约10GHz处仅具有一个谐波(一个频率谐振模式)，并且下一个谐波是大约20GHz(其在感兴趣的5-15GHz的微波频带之外)。在感兴趣的5-15GHz微波频带之外的频率谐振模式不适用于传送量子信息(主要是因为大多数超导量子位频率落在该范围内(即落入感兴趣的频带内)，并且许多微波发生器、测量设备以及微波部件在该范围内可商购)，因此，实施例中的多模谐振器_a115A和多模谐振器_b 115B可以各自具有5-15GHz之间的数十或数百个频率谐振模式(即，高密度模式)用于使用多模JPC 130处理量子信息。
通常，在给定的角谐振频率ω下左手传输线谐振器的模式密度与谐振器中的单位单元数目成正比，并且与低频界限ωIR成反比。
应该注意的是，并不是落在特定的感兴趣的频段(例如5-15GHz)内的多模谐振器_a和多模谐振器_b的模式的所有多个谐振模式都在中心处强耦合到JRM，即，在JRM的位置有一个射频电流波腹。因此，强耦合到JRM的谐振模式是感兴趣频段内可用谐振模式的一个子集(大约一半)。因此，并不是落在感兴趣的频段内的多模谐振器_a和多模谐振器_b的所有谐振模式都可用来执行三波混频，这形成了由该多模设备实现的各种量子信息处理操作的基础。换句话说，在本公开中使用的术语多模谐振器_a和多模谐振器_b的多模主要指强耦合到感兴趣的频带内JRM的那些。
在一个实施方式中，多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B中的每一个可以具有强耦合到JRM的在5-10GHz范围内的5到20个频率谐振模式。在另一个实施方式中，多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B每个可以具有强耦合到JRM的在5-10GHz范围内的20-50个频率谐振模式。在又一个实施方式中，多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B每个可以具有强耦合到JRM的在5-10GHz范围内的50-100个频率谐振模式。
由于多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B均可具有在5-10GHz范围(例如，5-100个频率谐振模式)中强耦合到JRM的多个谐振模式，这使得多模JPC 130具有超越了标准双差分模式JPC的能力，可在量子信息处理领域在各种有趣的应用中有用，如多个量子位之间的远程纠缠的产生，多对纠缠光子的产生，在量子极限处多个微波信号的放大，在不同频率的多个传播微波信号之间进行频率转换。
图4是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器130的示例性共面波导实现。
多模JPC130包括多模谐振器_a115A(左手传输线)，该多模谐振器_a115A包括集总元件电感器La(作为电感器Ll)和集总元件电容器Ca(作为电容器Cl)。类似地，多模JPC130包括多模谐振器_b115B(左手传输线)，该多模谐振器_b115B(左手传输线)包括集总元件电感器Lb(作为电感器Ll)和集总元件电容器Cb(作为电容器Cl)。
多模谐振器_a 115A(左手传输线)连接到约瑟夫逊环调制器150的左右节点。多模谐振器_a 115A连接到端口_a 120A。在多模谐振器_a 115A中，单位单元205A包括连接到电容器Ca的两个电感器La。两个电感器La的一端彼此连接并连接到电容器Ca，而电感器La的另一端连接到接地平面405。如图4所示，单位单元205A的这种配置在多模谐振器_a 115A中重复N次。应该注意的是，在每个单位单元中使用两个电感器主要是为了使设备在接地方面保持对称。然而，在一个实施方式中也考虑使用接地的一个电感器。
多模谐振器_b 115B(左手传输线)连接到约瑟夫逊环调制器150的顶部和底部节点。多模谐振器_b 115B连接到端口_b 120B。在多模谐振器_b115B中，单位单元205B包括连接到电容器Cb的两个电感器Lb。两个电感器Lb的一端彼此连接并和电容器Cb连接，而电感器Lb的另一端连接到接地平面405。如图4所示，单位单元205B的这种配置在多模谐振器b-115B中重复M次。应该注意的是，在每个单位单元中使用两个电感器主要是为了使设备在接地方面保持对称。然而，在一个实施方式中也考虑使用接地的一个电感器。
如图2所示，端口_a 115A和端口_b 115B可以使用180°混合器305A和305B(图4中未示出)馈入。端口_a115A和端口_b115B可以是同轴电缆或共面波导，或者可以是具有由介电材料隔开的中心导体和外部导体的微带或带状线。对于端口_a 115A，中心导体通过耦合电容器110A连接到多模谐振器_a 115A的左侧和右侧，而外部导体连接到接地平面405。对于端口b_115B，中心导体通过耦合电容器110B连接到多模谐振器_b115B的顶部和底部侧，而外部导体连接到接地平面405。
图5是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器130的示例性半共面带状线实现。
多模JPC130包括包含电感器La(作为电感器Ll)和电容器Ca(作为电容器Cl)的多模谐振器_a115A(左手传输线)。类似地，多模JPC 130包括包含电感器Lb(作为电感器Ll)和电容器Cb(作为电容器Cl))的多模谐振器_b115B(左手传输线)。
多模JPC130包括包含电感器La(作为电感器Ll)和电容器Ca(作为电容器Cl)的多模谐振器_a115A(左手传输线)。类似地，多模JPC 130包括包含电感器Lb(作为电感器Ll)和电容器Cb(作为电容器Cl))的多模谐振器_b115B(左手传输线)。
多模谐振器_a 115A的集总元件侧连接到约瑟夫逊环调制器150的左节点，而其右节点连接到导电平面406。多模谐振器_a 115A的集总元件侧和导电平面406连接到180°混合器305A。在多模谐振器_a 115A中，单位单元205A包括连接到电容器Ca的电感器La。电感器La的一端连接到电容器Ca，而电感器La的另一端连接到导电平面406。如图5所示，单位单元205A的这种配置在多模谐振器_a 115A中重复N次。虽然图5示出了连接到多模谐振器_a115A的集总元件侧的左节点和连接到导电平面406的右节点，该结构可以互换，使得多模谐振器_a 115A的集总元件侧连接到右节点，并且导电平面406连接到左节点。
多模谐振器_b 115B的集总元件侧连接到约瑟夫逊环调制器150的顶部节点，而底部节点连接到导电平面407。多模谐振器_b 115B的集总元件侧和导电平面407连接到端口b_115B。在多谐振器_b115B中，单位单元205B包括连接到电容器Cb的电感器Lb。电感器Lb的一端连接到电容器Cb，而电感器Lb的另一端连接到导电平面407。如图5所示，单位单元205B的这种配置在多模谐振器b_115B中重复M次。虽然图5示出了连接到多模谐振器_b 115B的集总元件侧的顶部节点和连接到导电平面407的底部节点，该结构可以互换，使得多模谐振器_b 115B的集总元件侧连接到顶部节点，导电平面407连接到底部节点。
图6是根据实施例的配置微波装置(诸如多模JPC 130)的方法。可以参考图1-5。
在方框605处，第一多模谐振器(即，多模谐振器_a 115A)连接到约瑟夫逊环调制器150，其中该第一多模谐振器由第一左手传输线制成。
在方框610处，第二多模谐振器(即，多模谐振器_b 115B)连接到约瑟夫逊环调制器150，其中该第二多模谐振器由第二左手传输线制成。
第一多模谐振器(即，多模谐振器_a 115A)包括在感兴趣的特定频带内强耦合到JRM的多个第一谐振模式，并且第二多模谐振器(即，多模谐振器_b 115B)包括在同样的感兴趣的频带内强耦合到JRM的多个第二谐振模式。
在感兴趣的特定频带内强耦合到JRM的第一多模谐振器中的多个第一谐振模式的数量等于在同样的感兴趣的频带内强耦合到JRM的第二多模谐振器中的多个第二谐振模式的数量。例如，在多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B中，在感兴趣的特定频带内强耦合到JRM的频率谐振模式的数量是相等的。
在感兴趣的特定频带内强耦合到JRM的第一多模谐振器中的多个第一谐振模式的数目不等于在同样的感兴趣的频带内强耦合到JRM的第二多模谐振器中的多个第二谐振模式的数目。例如，多模谐振器_a 115A或多模谐振器_b 115B可以在感兴趣的特定频带内具有比另一个多模谐振器更多的强耦合到JRM的频率谐振模式。
第一多模谐振器_a 115A包括N个第一单位单元205A，并且第二多模谐振器_b115B包括M个第二单位单元205B。N和M都不等于零。在一个实施例中，N等于M，而在另一个实施例中，N不等于M。
第一单位单元205A中的每一个和第二单位单元205B中的每一个分别包括连接到电感器(La,Lb)的一端的电容器(Ca,Cb)，而电感器(La,Lb)的另一端连接到接地平面405或导电平面406,407，如图2,4和5所示。
约瑟夫逊环调制器150包括彼此相对的第一对节点(例如JRM 150的左节点和右节点)以及彼此相对的第二对节点(例如，JRM 150的顶节点和底节点)。第一多模谐振器_a115A连接到第一对节点。如图5所示，第一对节点中的一个连接到谐振器的集总元件侧，导电平面406连接到第一对节点中的另一个。第二多模谐振器_b 115B连接到第二对节点。如图5所示，第二对节点中的一个连接到谐振器的集总元件侧，导电平面407连接到第二对节点中的另一个。
如图4所示，第一单位单元205A中的每一个和第二单位单元205B中的每一个分别包括第一电感器(第一La，第一Lb)，第二电感器(第二La，第二Lb)和电容器(Ca，Cb)。第一电感器的第一端和第二电感的第一端连接在一起，第一电感器的第二端和第二电感器的第二端接地，电容器连接到第一电感器的第一端和第二电感的第一端，如图4所示。
约瑟夫逊环调制器150包括在惠斯通电桥中彼此相对的第一对节点和彼此相对的第二对节点。第一多模谐振器_a 115A连接到第一对节点，而第二多模谐振器_b 115B连接到第二对节点。
第一单位单元彼此串联连接，并且第二单位单元彼此串联连接。
在一个实施方式中，第一单位单元205(在多模谐振器_a 115A中)中的每一个中的电容和电感不同于第二单位单元(在多模谐振器_b 115B中)中的每一个中的电容和电感。由于多模谐振器_a 115A中的单位单元205A与多模谐振器_b 115B中的单位单元205B不同，所以多模谐振器_a 115A具有与多模谐振器_b 115B不同的谐振模式和谐振频率。
在另一个实施方式中，第一单位单元(在多模谐振器_a 115A中)中的每一个中的电容和电感匹配第二单位单元(在多模谐振器_b 115B中)中的每一个的电容和电感。
在每个多模谐振器中使用的集总元件电感和电容可以从一个单位单元变化到另一个单位单元。对多模谐振器的周期性结构的这种扰动可以被用来改变多模谐振器的某些本征模之间的频率间隔。
在多模谐振器的左手传输线的设计中使用的集总元件电感，例如，La和Lb可以使用狭窄的超导线以曲折配置来实现。超导线的总电感可以是几何电感和动能电感的组合。在多模谐振器的左手传输线的设计中使用的集总元件电感也可以被实现为大的约瑟夫逊结的阵列。
在多模谐振器的左手传输线的设计中使用的集总元件电容，例如，Ca和Cb可以实现为交叉电容器或平板电容器，其中电介质层沿着左手传输线的中心导体沉积在两个电极之间。
根据一个实施例，多模约瑟夫逊参数转换器130是多模量子限幅放大器，其在微波域中操作并且可以用于量子信息处理和量子计算。多模JPC 130是可以并行放大多个信号的装置。多模式PC 130也可以用来远程纠缠多个超导量子位。此外，多模JPC 130在可扩展的量子计算体系结构上优于其他替代方案。多模JPC 130也可以在使用微波光子作为量子位的量子计算方案中发挥主要作用。
没有任何现有技术的设备具有类似的能力，同时在感兴趣的5-15GHz之间的频率范围内支持多个微波本征模式。现有技术的约瑟夫逊参数转换器只能支持相同频率范围内的两个本征模式。
下面讨论利用多模约瑟夫逊参数转换器130的各种有益的应用。为了便于理解，下面提供了小标题或子标题。小标题是为了解释而不是限制的目的。
多模量子限幅放大器
多模约瑟夫逊参数转换器130被配置为作为多模量子限幅放大器来操作。多模约瑟夫逊参数转换器130被配置为在量子极限下并行(即同时)放大不同频率下的多个量子信号。例如，多个量子信号可以是分别经由端口_a 120A输入到多模谐振器_a 115A以及经由端口_b 115B输入多模谐振器_b 120B中的多个信号(S)量子信号(对应于多模谐振器_a115A上的谐振频率)和惰轮(I)量子信号(对应于多模谐振器_b 115B上的谐振频率)。
多模约瑟夫逊参数转换器130被配置为选择哪个输入信号(即，输入量子信号)在反射中被放大并且没有增益地被反射离开JPC 130。
作为示例，考虑具有多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B的多模JPC130,多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B分别具有谐振频率
Figure BDA0001612070770000111
和
Figure BDA0001612070770000112
并分别耦合到JRM 105。通过利用其频率
Figure BDA0001612070770000113
满足关系
Figure BDA0001612070770000114
的三个泵浦音调，同时泵浦多模JPC130(装置)，端口_a120A和端口_b120B上的输入量子信号分别在频率
Figure BDA0001612070770000115
和
Figure BDA0001612070770000116
处在反射中被放大(通过增益G)，而输入信号在频率
Figure BDA0001612070770000117
处在没有增益G的情况下被反射离开JPC 130。在反射中放大意味着在频率
Figure BDA0001612070770000118
和频率
Figure BDA0001612070770000119
处的各个量子信号通过其最初输入多个量子信号的各自的端口_a 120A和端口_b 120B被放大。
根据一个实施方式，为了使多模JPC 130装置作为放大器来适当地操作(即，避免诸如动态范围的减小之类的泵耗尽效应)，泵浦音调将满足刚性泵近似，其中所适用的泵浦音调与JPC130的谐振模式是不共振的。换句话说，泵浦频率
Figure BDA00016120707700001110
不应该与多模谐振器_a115A和多模谐振器_b115B的频率谐振模式一致。
根据一个实施方式，为了防止泵浦(P)音调的频率与多模谐振器115A和115B的高谐振频率的频率冲突，可以将某些模式工程技术应用于多模谐振器115A和115B的设计，其中该泵浦(P)音调需要被适用以放大(多模谐振器115A和115B的)特定谐振频率。这种模式工程技术的一个例子是分别减少多模谐振器115A和115B中的单位单元205A和205B的数量，以便降低需要应用泵浦频率的频带中的模式的密度。值得注意的是，这种措施也可以改变操作者感兴趣放大的谐振频率，结果也改变了泵浦频率。另一个例子是通过修改特定单位单元205A，205B的电感(例如电感器La,Lb的电感)和/或(电容器Ca,Cb的)电容来干扰(即改变)多模谐振器115A和115B的周期性结构。
根据一个实施方式，进一步值得注意的是，并非多模谐振器115A和115B的所有频率谐振模式都预期在放大所需的JRM 105位置处具有RF电流波腹。因此，在一个实施方式中，可以被放大的频率谐振模式可以(仅)是多模JPC 130(装置)的所有频率共振模式的子组。
图7是根据一个实施例的将多模约瑟夫逊参数转换器130操作为多模量子限幅放大器的方法的流程图700。
在框705处，多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B(在多模约瑟夫逊参数转换器130中)经由端口_a 120A和端口_b 120B并行接收位于不同谐振模式的带宽内的多个量子信号。
在框710处，根据应用于，例如连接到多模约瑟夫逊参数转换器130的多模谐振器_a 115A的端口_120A，的泵浦驱动(音调)，多模约瑟夫逊参数转换器130同时放大多个量子信号。
在框715处，根据所应用的泵浦驱动，多模参数转换器130被配置成反射位于不同谐振频率的带宽内的被放大的多个量子信号。被放大的量子信号被反射回到它们被输入的端口120A和120B。
第一多模谐振器_a115A的第一组不同谐振模式被配置成在第一组不同谐振频率(即，对应于多模谐振器_a115A的谐振模式的第一组不同谐振频率)谐振。第一多模谐振器_a 115A是第一左手传输线。
第二多模谐振器_b115B的第二组不同谐振模式被配置成在第二组不同谐振频率(即，对应于用于多模谐振器_b 115B的谐振模式的第二组不同谐振频率)谐振。第二多模谐振器_b115B是第二左手传输线。
每个泵浦驱动器(输入到JPC130中)是耦合于JRM105的第一组中不同谐振频率中的一个谐振频率与耦合于JRM105的第二组中不同谐振频率中的一个谐振频率的频率和，使得在第一组中的一个谐振频率和第二组中的一个谐振频率的多个量子信号被放大。
第一泵浦信号是第一组(例如f1 a)中的第一谐振频率加上第二组(例如f1 b)中的第一谐振频率的第一频率和(例如f1 p＝f1 a+f1 b)。第二泵浦信号是第一组中的第二谐振频率加上第二组中的第二谐振频率的第二频率和。最后一个泵浦信号是第一组中最后一个谐振频率加上第二组中最后一个谐振频率的最后一个频率和。应注意的是，可以使用多个频率组合作为频率和，并且示例频率和(例如，f1 p＝f1 a+f1 b)仅为了说明的目的而提供。例如，另一个频率和可以是
Figure BDA0001612070770000131
其中第一组中的第一谐振频率可以是f1 a，第二组中的第二谐振频率可以是
Figure BDA0001612070770000132
第一组中的第一至最后一个谐振频率中的至少一个和第二组中的第一至最后一个谐振频率中的至少一个是相同的。第一组中的第一至最后一个谐振频率的至少一个和第二组中的第一至最后一个谐振频率中的至少一个是不同的。
多个量子信号在范围从大约5-15GHz的不同频率处。多模约瑟夫逊参数转换器被配置为经由第一多模谐振器_a 115A和第二多模谐振器__b 115B同时(或几乎同时)放大处于不同谐振模式的带宽内的多个量子信号，其中第一和第二多模谐振器115A，115B耦合到色散非线性介质105。
通过测量方案的多量子位远程纠缠。
图8是根据一个实施例的通过使用多模JPC 130进行测量的用于远程纠缠多个量子位的微波量子设备800的示意图。为了简单起见，多模JPC 130的细节未在图8中示出。对于多模式JPC 130的细节，可以参考图1-6在此讨论。
在图8中，多模JPC 130具有连接到循环器815A的端口_a 115A和连接到循环器815B的端口_b 115B。如下面进一步讨论的，泵浦音调/驱动器是输入到多模JPC 130的多个泵浦频率。经由混频器835A，高电子迁移率晶体管(HEMT)830A，循环器815A(假定为无损耗的)和多模JPC 130来测量输出场正交信号Ia(t)和/或Qa(t)。类似地，经由混频器835B，高电子迁移率晶体管(HEMT)830B，循环器815B(假定为无损)和多模式JPC130来测量输出场正交信号Ib(t)和/或Qb(t)。
假定耦合到JRM 105(在JPC 130内)的端口_a 120A的多模谐振器_a 115A的谐振频率
Figure BDA0001612070770000133
与耦合到总线_a 810A的读出谐振器802_1-802_n的读出频率一致(也就是相同)。读出谐振器802_1-802_n可以电容耦合到总线_a 810A。
假定耦合到JRM 105的端口_b 120B的多模谐振器_b 115B的谐振频率
Figure BDA0001612070770000134
Figure BDA0001612070770000135
与耦合到总线_810B的读出谐振器804_1-804_n的读出频率一致。读出谐振器804_1-804_n可以电容耦合到总线_810B。
量子位820A包括
Figure BDA0001612070770000141
其各自电容耦合到其自己的读出谐振器802_1,802_2,802_3，...，802_n。类似地，量子位820B包括
Figure BDA0001612070770000142
其各自电容耦合到其自己的读出谐振器804_1,804_2,804_3，...，804_n。在图8中，在输入1(IN1)处应用频率f1 a具有使读出谐振器802_1读出其量子位
Figure BDA0001612070770000143
并使多模谐振器_a115A在其谐振频率f1 a谐振的双重效果。类似地，在输入1(IN1)处并行应用频率
Figure BDA0001612070770000144
Figure BDA0001612070770000145
具有使读出谐振器802_1,802_2,802_3，...，802_n分别读出其电容耦合的量子位
Figure BDA0001612070770000146
并使得多模谐振器_a 115A在其谐振频率
Figure BDA0001612070770000147
Figure BDA0001612070770000148
谐振的双重效果。每个读出谐振器802分别分享相同的谐振频率作为多模谐振器_a115A中的一个谐振模式，使得具有该相同频率的信号导致两者谐振。
类似地，在输入端2(IN2)应用频率f1 b具有使读出谐振器804_1读出其量子位
Figure BDA0001612070770000149
并使多模谐振器_b115B在其谐振频率f1 b谐振的双重效应。类似地，在输入2(IN2)处并行应用频率
Figure BDA00016120707700001410
具有使读出谐振器804_1,804_2,804_3，...，804_n分别读出其电容耦合的量子位
Figure BDA00016120707700001411
并使多模谐振器_b115B在其谐振频率
Figure BDA00016120707700001412
谐振的双重效应。每个读出谐振器804分别分享相同的谐振频率作为多谐振器_b 115B中的谐振模式之一，使得具有该相同频率的信号导致两者谐振。
多模JPC130被配置为通过将多个泵浦音调应用于多模式JPC130，来通过测量，远程纠缠与总线810A和810B耦合的量子位对(独立于量子位820A和820B)，其中泵浦音调频率
Figure BDA00016120707700001413
对应于将要纠缠的量子位820A和820B中的量子位对的读出频率的频率和。关于应用频率
Figure BDA00016120707700001414
和
Figure BDA00016120707700001415
以及应用泵浦音调频率
Figure BDA00016120707700001416
应当理解，指数m大于指数n，因为泵浦音调频率比单独的谐振频率有更多的组合。为了解释的目的，提供的一些例子是为了说明而不是限制。
例1：在这种情况下，微波量子装置800纠缠量子位对
Figure BDA00016120707700001417
其中i∈{1,2,…n}并且
Figure BDA00016120707700001418
相应地，所应用的泵浦频率由下式fi p＝fi a+fi b给出。在这个例子中，每个量子位820A在量子位820B中分别与其相应的量子位纠缠，使得例如，有纠缠的量子位对
Figure BDA0001612070770000151
直至
Figure BDA0001612070770000152
例2：在这种情况下，微波量子装置800纠缠量子位对
Figure BDA0001612070770000153
其中i，j∈{1,2，...n}并且
Figure BDA0001612070770000154
得出。
应注意的是，微波量子装置800的纠缠不限于量子位对。例如，微波量子装置800被配置为通过依序在频率
Figure BDA0001612070770000155
和
Figure BDA0001612070770000156
应用两个泵浦音调，将耦合于读出谐振器802_1,804_2,804_3的三个量子位
Figure BDA0001612070770000157
分别与频率为
Figure BDA0001612070770000158
纠缠。因此，使用这种纠缠方法，微波量子装置800被配置为通过顺序地应用n-1个满足这些量子位的读出频率的总和条件的泵来而远程纠缠n个不同的量子位。
图9是根据一个实施例的通过测量的远程纠缠多个量子位的方法的流程图900。
在方框905处，多模约瑟夫逊参数转换器130中的第一多模谐振器_a 115A被配置为接收处于不同谐振频率
Figure BDA0001612070770000159
或位于第一多模谐振器_a 115A的谐振模式的带宽内的第一组读出信号，其中第一多模谐振器是第一左手传输线。
在方框910处，多模约瑟夫逊参数转换器130中的第二多模谐振器_115B被配置为接收处于不同谐振频率(
Figure BDA00016120707700001510
或位于第二多模谐振器的谐振模式的带宽内的第二组读出信号，其中第二多模谐振器是第二左手传输线。
在方框915处，第二多模谐振器_115B被配置为接收泵浦信号
Figure BDA00016120707700001511
Figure BDA00016120707700001512
其中泵浦驱动是第一(泵浦)频率和(例如f1 p＝f1 a+f1 b)，第二(泵浦)频率和(例如
Figure BDA00016120707700001513
)，直至最后(泵浦)频率和(例如
Figure BDA00016120707700001514
)。值得注意的是，n表示特定系列的项目的最后一个数字。如本领域技术人员所理解的那样，可以使用许多其他的组合，并且示例性的频率和仅仅是为了解释的目的。例如，另一个频率和可以是
Figure BDA00016120707700001515
等等。
在框920处，约瑟夫逊参数转换器130被配置为基于第一频率和产生第一量子位对(例如，
Figure BDA00016120707700001516
)，基于第二频率和产生第二量子位对(例如，
Figure BDA00016120707700001517
)，直至基于最后一个频率和产生最后一个量子位对(例如，
Figure BDA00016120707700001518
)。如本领域技术人员所理解的，这些示例性的量子位对仅仅为了解释的目的而示出，并且可以匹配许多其他的量子位对组合。例如，其他量子位对可以包括
Figure BDA0001612070770000161
等等。
第一频率和是第一组的一个谐振频率加上第二组的一个谐振频率的总和，其中第二频率和是第一组的另一个谐振频率加上第二组的另一个谐振频率的总和，并且其中最后一个频率和是第一组的又一个谐振频率与第二组的又一个谐振频率的总和。应该理解，存在多种组合，并且实施例不意味着限制。
从第一读出谐振器802接收第一组读出信号，并且将第一读出谐振器802耦合到第一量子位820A。从第二读出谐振器804接收第二组读出信号，并且将第二读出谐振器804耦合到第二量子位820B。
第一量子位820A中的一个量子位(例如
Figure BDA0001612070770000162
)已经在第一组的一个谐振频率处被读出，并且第二量子位820B中的一个量子位(例如
Figure BDA0001612070770000163
)已经在第二组的一个谐振频率处被读出，使得第一量子位对(例如，
Figure BDA0001612070770000164
)是第一量子位中的一个量子位和第二量子位中的一个量子位。响应于泵浦信号的第二频率和，第一组量子位820A中的另一个量子位(例如
Figure BDA0001612070770000165
)已经在第一组的另一个谐振频率处被读出，并且第二量子位820B中的另一个量子位(例如,
Figure BDA0001612070770000166
)已经在第二组的另一个谐振频率处被读出，使得第二量子位对(例如，
Figure BDA0001612070770000167
)是第一量子位820A中的另一个量子位，以及第二量子位820B中的另一个量子位。此外，响应于泵浦信号的最后一个频率和，第一量子位820A中的另一个量子位(例如
Figure BDA0001612070770000168
)已经在第一组的再一个谐振频率处被读出，并且第二量子位820B中的再一个量子位(例如
Figure BDA0001612070770000169
)已经在第二组的再一个谐振频率处被读出，使得第三量子位对(例如，
Figure BDA00016120707700001610
)是第一量子位中的再一个量子位，第二量子位中的再一个量子位。如这里所指出的，为了易于理解指出了组合，但是实施例不限于示例组合。可以理解的是，还有更多的组合。此外，可以存在来自谐振器_a115A和谐振器_b 115B的每一对组合，其中泵浦频率(即，频率和)需要具有两个索引(一个用于总线_a 810A上的量子位，一个用于总线_b 810B上的量子位)。
第一读出谐振器802_1至802_n具有与第一多模谐振器_1115A的谐振频率一致的读出谐振器频率
Figure BDA0001612070770000171
第二读出谐振器804_1至804_n具有与第二多模谐振器_b 115B的谐振频率一致的读出谐振器频率
Figure BDA0001612070770000172
第一多模谐振器的谐振模式和第一读出谐振器的读出谐振器频率的范围从大约5-15GHz。第二多模谐振器的谐振模式和第二读出谐振器的读出谐振器频率的范围从大约5-15GHz。
在通过测量方案的远程纠缠多个量子位的章节中，首先读出量子位820A，820B，然后JPC 130纠缠耦合到位于多模JPC130的任一侧(端口)上的读出谐振器和总线的量子位对。
通过将纠缠光子应用于读出多重量子位状态的多重量子位远程纠缠方案
本章节(用于通过应用纠缠光子来产生多对纠缠光子和多个量子位的远程纠缠)首先产生纠缠光子，使得可以进一步利用该纠缠光子，例如读出量子位。与通过测量方案的多个量子位的远程纠缠章节相比，这些章节(通过应用纠缠光子产生多个纠缠光子对和多个量子位的远程纠缠)的顺序是颠倒的。
图10是根据一个实施例的通过应用纠缠光子以使用多模JPC 130读出多个量子位的状态来远程纠缠多个量子位的微波量子装置1000的示意图。为了简单起见，多模JPC 130的细节未在图10中示出。对于多模JPC 130的细节，可以参考图1-6在此讨论。而且，微波装置800的某些部件被包括在微波装置1000中。然而，循环器的端口不同，旋转器也如此。
如图10所示，输入IN1直接连接到循环器1015A，使得循环器1015A首先将输入IN1的输入信号直接传送到端口_a 120A。类似地，输入IN2直接连接到循环器1015B，使得循环器1015B首先将输入IN2的输入信号直接发送到端口b-120B。
端口_a 120A的反射输出经由循环器1015A被传送到总线_a 810A，然后被传送到测量设备以测量输出场正交Ia(t)和/或Qa(t)。类似地，端口_b120B的反射输出经由循环器1015B被传输到总线_b810B，然后被传输到测量设备以测量输出场正交分量Ib(t)和/或Qb(t)。
在微波量子装置1000中，耦合到JRM 105的(连接到)端口_a 120A的多模谐振器_a115A的谐振频率与耦合到总线_a 810A，也就是
Figure BDA0001612070770000181
的读出谐振器802的读出频率一致。类似地，耦合到JRM 105的(连接到)端口_b120B的谐振器_b115B的谐振频率与耦合到总线_810B，即
Figure BDA0001612070770000182
的读出谐振器804的读出频率一致。于是，微波量子装置1000被配置为通过应用由JPC130在相应的读出频率产生的纠缠的光子对来远程纠缠耦合到总线_a810A和总线_b810B的量子位对。这可以通过对多模JPC130应用多个泵浦音调来实现，该多模JPC130的频率
Figure BDA0001612070770000183
对应于这些将被纠缠的量子位对的读出频率的频率和。
示例1：为了使微波量子装置1000纠缠量子位对
Figure BDA0001612070770000184
其中i∈{1,2，...，n}并且
Figure BDA0001612070770000185
微波量子装置1000接收其频率由
Figure BDA0001612070770000186
给出的所应用的泵浦驱动。
示例2：为了使量子位装置1000纠缠量子位位对
Figure BDA0001612070770000187
其中i,j∈{1,2，...，n}且
Figure BDA0001612070770000188
微波量子装置1000接收其频率由
Figure BDA0001612070770000189
给出的所应用的泵浦驱动。
应该指出的是，通过微波量子装置1000的纠缠不限于量子位对。举例来说，微波量子装置1000可被配置以通过依次在频率
Figure BDA00016120707700001810
和
Figure BDA00016120707700001811
应用两个泵浦音调，来纠缠与具有频率
Figure BDA00016120707700001812
的读出谐振器802_1,804_2,804_3耦合的三个量子位
Figure BDA00016120707700001813
Figure BDA00016120707700001814
因此，使用这种纠缠方法，微波量子装置1000被配置为通过顺序应用满足这些量子位的读出频率的和条件的n-1个泵来远程纠缠n个不同的量子位。
多对纠缠光子的产生
通过应用纠缠光子来读出它们的状态，多对纠缠光子的产生是多模JPC 130而不是远程纠缠多个量子位的更一般的应用。
在图10中，取代总线_a 810A连接到读出谐振器802和量子位820A，总线_a 810A可以连接到第一量子系统(未示出)以接收纠缠光子。而且在图10中，取代总线_b 810B连接到读出谐振器804和量子位820B，总线_b 810B可连接到第二量子系统(未示出)以接收纠缠光子。
在另一实施方式中，第一量子系统直接连接到不具有总线_a 810A的循环器1015A，并且第二量子系统直接连接到不具有总线_b 810B的循环器1015B。
根据一个实施例，在多模JPC 130中发生的放大过程的另一有益性质是的多模JPC130在JPC 130的两种非退化模式之间创造双模式压缩状态。换句话说，提供用于放大过程的能量的泵浦(P)的泵浦光子通过与多模JPC130中的色散非线性介质(即，JRM105)的相互作用而被下变频；通过向泵(P)端口应用泵浦音调，多模JPC 130产生多对纠缠光子，其频率位于多模JPC 130的非退化谐振模式的动态带宽内，并且其频率总和等于所应用的泵浦音调的频率。
在多模非退化装置(即，多模JPC130)中利用该特性允许在量子信息处理中的广泛的应用，诸如通过同时或依次应用多个泵浦音调产生与多模JPC130(特别是多模谐振器115A和115B)的不同谐振频率对应的多个纠缠的光子对。
图11是根据实施例的操作多模约瑟夫逊参数转换器130以产生多对纠缠光子的方法的流程图1100。
在方框1105处，多模约瑟夫逊参数转换器130中的第一多模谐振器_a 115A被配置为接收在不同谐振频率
Figure BDA0001612070770000191
处的第一组信号，其中第一组信号对应于第一多模谐振器_a 115A的谐振模式，其中第一多模谐振器是第一左手传输线。
在方框1110处，多模约瑟夫逊参数转换器130中的第二多模谐振器_115B被配置为接收在不同谐振频率
Figure BDA0001612070770000192
处的第二组信号，其中第二组信号对应于第二多模谐振器_b 115B的谐振模式，其中第二多模谐振器是第二左手传输线。
在方框1115处，由第二多模谐振器_b115B接收泵浦信号，其中泵浦信号是第一(泵浦)频率和，第二(泵浦)频率和，直至最后(泵浦)频率和。需要注意的是，尽管泵通过谐振器_115B的馈线而不是通过图3中的谐振器_a115A的馈线馈送，泵可以通过180混合器的西格玛(Σ)端口注入。于是，50Ω终端可以移动到另一侧。而且，需要注意的是，泵不需要并行应用，这允许顺序地或以一定的顺序在不同的纠缠对之间进行切换。
在方框1120，多模约瑟夫逊参数转换器130被配置成同时或顺序地产生纠缠光子对，并且纠缠光子对包括第一光子对，第二光子对，直至最后一个光子对。
例如，第一纠缠光子对中的一个光子可以以对应于特定读出谐振器802(例如，读出谐振器802_1)的读出频率经由多模谐振器_a 115A的端口_a 120A离开JPC130并且被传输到循环器1015A。循环器1015A可以以读出频率将具有一个光子的信号发送到总线_a810A，该读出频率使得量子位中的一个(例如，量子位
Figure BDA0001612070770000193
)由读出谐振器802_1读出。同时，第一光子对中的另一个纠缠光子可以以对应于特定读出谐振器804(例如，读出谐振器804_1)的读出频率经由多模谐振器_b115B的端口_b120B离开JPC130并被发送到循环器1015B。循环器1015B可以以读出频率将具有另一个光子的信号发送到总线_b 810B，该读出频率使得量子位中的一个(例如，量子位
Figure BDA0001612070770000201
)由读出谐振器804_1读出。利用第一光子对中的光子的初始纠缠来引起量子位对
Figure BDA0001612070770000202
的纠缠。在另一个实施方式中，取代从谐振器115A，115B输出第一光子对的纠缠光子至读出谐振器802,804，第一光子对的光子可以分别被输出到第一和第二量子系统。在这种情况下，第一光子对的纠缠光子仍然纠缠分开的第一和第二量子系统的各个方面。
第一频率和是第一组的一个谐振频率加上第二组的一个谐振频率的总和。第二频率和是第一组的另一个谐振频率加上第二组的另一个谐振频率的总和。第三频率和是第一组的又一谐振频率与第二组的又一谐振频率的总和。
第一对纠缠光子对应于在第一组的一个谐振频率处的第一光子(已经被连接到多模谐振器_a 115A的量子系统接收到)和在第二组的一个谐振频率处的第一光子(已经被连接到多模谐振器_b 115B的另一量子系统接收到),响应于应用到JPC130的泵浦驱动的第一频率和的能量通过与色散非线性介质(例如JRM105)的相互作用被下变频。类似地，第二对纠缠光子对应于第一组的另一个谐振频率处的第二光子和第二组另一个谐振频率处的第二光子，响应于泵浦驱动器的第二频率和的能量通过与色散非线性介质的相互作用而被下变频。类似地，第三对纠缠光子对应于第一组的又一个谐振频率处的第三光子和第二组的又一个谐振频率处的第三光子，响应于泵浦驱动器的第三组频率和的能量通过与分散非线性介质的相互作用而被下变频。如这里所指出的，为了便于理解而指出了某些组合，但是实施例不限于示例组合。可以理解，还有更多的组合。
第一组信号和第二组信号在从范围大约5-15GHz的不同谐振频率。
钟状态发生器
参照图1-6，本实施例在使用光子作为量子位的量子计算方案中是有用的，并且利用由空间非退化(具有不同的空间端口)但暂时退化(具有相同的谐振频率)的两个谐振器(即，多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B)组成的多模JPC 130。具体而言，多模JPC130被配置使得多模谐振器_a 115A中的两个谐振模式具有与多模谐振器_b 115B中的两个谐振模式一致的谐振频率，即
Figure BDA0001612070770000211
而且，需要注意的是，在该技术中JPC130不用作放大器，而是用作单光子下变频器；因此，装置的某些参数被相应地修改和重新设计。特别是，JRM和对左手谐振器的耦合被设计成使得单个泵浦光子被下变频为一对信号和惰轮光子。这可以通过在JRM中使用具有小临界电流的小约瑟夫逊结而部分地实现，并且使得泵“软”(被应用，例如在谐振时)。
通过向多模式JPC130在
Figure BDA0001612070770000212
应用泵浦音调，作为泵浦光子通过与多模式JPC 130的JRM 105的非线性相互作用的下变频过程的结果而产生的光子处于空间状态(在多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B)的相等叠加。
提供以下示例。如果实验者假设不失一般性f2＞f1，并且由量子态|0f1 a>和|0f1 b>表示在在频率f1处多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B(取决于下标)缺少光子，由量子态|0f2 a>和|0f2 b>表示在频率f2处多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B(取决于下标)缺少光子，类似地由量子态|1f1 a>和|1f1 b>表示在在频率f1处多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B(取决于下标)出现光子，由量子态|1f2 a>and|1f2 b>表示在频率f2处多模谐振器_a 115A和多模谐振器_b 115B(取决于下标)出现光子，则多模JPC 130的系统的量子态可以写为：
Figure BDA0001612070770000213
Figure BDA0001612070770000214
在上式中，下标“a”表示多模谐振器_a 115A，下标“b”表示多模谐振器_b115B。可具有值“0”或“1”的参数(或占位符)“a1”分别表示在多模谐振器_a115A中在频率f1处缺少或出现光子。可具有值“0”或“1”的参数(或占位符)“a2”分别表示在多模谐振器_a 115A中在频率f2处缺少或出现光子。可以具有值“0”或“1”的参数(或占位符)“b1”分别表示在多模谐振器_b115B中在频率f1处缺少或出现光子。可具有值“0”或“1”的参数(或占位符)“b2”表示在多模谐振器_b115B中在频率f2处缺少或存在光子。
此外，通过将逻辑量子位态与谐振器115A和115B的模式1或2中的光子相关联，即，|0a>L＝|0f2 a1f1 a>,|0b>L＝|0f2 b1f1 b>,|1a>L＝|1f2 a0f1 a>,和|1b>L＝|1f2 b0f1 b>,那么JPC 130的系统的量子态可以被重写为
Figure BDA0001612070770000221
其表示逻辑量子位“a”和“b”的钟位，其计算状态“0a,b”分别对应于光子在多模谐振器_a和多模谐振器_b的模式1中出现并且在模式2中缺少，其计算状态'1a,b分别对应于光子在多模谐振器_a和多模谐振器_b的模式1中缺少光子并且在模式2中出现的情况。
图12是根据一个实施例的使用光子作为量子位来产生钟状态的方法的流程图1200。
在框1205处，第一多模谐振器_a 115A和第二多模谐振器_b 115B(在JPC 130中)均连接到色散非线性介质(例如，JRM 105)，其中第一多模谐振器是第一左手传输线，第二多模谐振器是第二左手传输线，并且其中第一和第二多模谐振器中的谐振模式相同(即，
Figure BDA0001612070770000222
分别等于
Figure BDA0001612070770000223
)。
在方框1210，第二多模谐振器_b115B在频率和处接收泵浦信号，该频率和是谐振模式的(某个)谐振频率加上该谐振模式的另一谐振频率的总和。
在方框1215，在JPC 130中产生处于空间状态的相等叠加的第一光子和第二光子，其中第一和第二光子的空间状态的相等叠加与在第一多模谐振器_a 115A和第二多模谐振器_b 115B内相关。
第一光子的空间状态的相等叠加被配置使得第一光子具有相等的概率在(或不在)第一多模谐振器_a 115A或第二多模谐振器_b 115B内。第二光子的空间状态的相等叠加被配置使得第二光子具有相等的概率在(或不在)第一多模谐振器_a 115A或第二多模谐振器_b 115B内。
第一光子和第二光子并不都在第一和第二多模谐振器115A，115B的同一个内。也就是说，如果第一光子在第一多模谐振器_a 115A中，则第二光子在第二多模谐振器_b115B中。相反，如果第二光子在第一多模谐振器_a 115A中，则第一光子在第二多模谐振器_b 115B中。
两个频率接近的传播微波信号之间的幺正变换
由左手传输线构成的JPC谐振器(多谐振器_a 115A和多谐振器_b 115B)的模式(频率谐振模式)的密度极大接近其低频边界fIR＝ωIR/2π的特征允许多模JPC 130通过利用并行泵浦音调来泵浦(经由泵P)多模JPC130以执行频率接近的(例如，数十兆赫)的成对的传播微波模式之间的单一频率转换，所述并行泵浦音调的频率对应于(传播的微波信号的(例如，分别到谐振器115A和115B的S信号和I信号))谐振频率之间的频率差。
例如，如果频率f1 a处的量子信号(例如，S)被发送到多模谐振器_a 115A并且频率
Figure BDA0001612070770000231
处的量子信号(例如，I)被发送到多模谐振器_b 115B，则为了在这一对传播微波模式之间执行单一频率转换，在频率差
Figure BDA0001612070770000232
的泵浦音调被注入到JPC 130。术语幺正频率转换意味着信号从一个频率转换到另一个频率而没有信息损失，换句话说，信号以无损(没有光子丢失)和相干(相位保存)的方式被转换。类似地，该转换过程可以推广到在端口_a和端口_b上输入的其他传播微波信号对，并且其频率处于谐振器_a和谐振器_b的谐振模式的带宽内，其通过应用适当的泵浦驱动器耦合到JRM。
根据一个实施方式，如果执行模式之间的频率转换所需的泵浦频率低于超材料谐振器115A和115B的截止频率，则可以应用泵送JRM 105的特定方法，其不同于直接向多模谐振器115A和115B注射该泵浦音调。一种这样的方法是使用直接电容耦合到JRM105的三端口功率分配器来泵浦JRM 105。
应该注意的是，如本领域技术人员所理解的，可以利用各种微电子设备制造方法来制造本文所讨论的部件/元件。在半导体或超导设备制造中，各种加工步骤分为四大类：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)以及最近出现的原子层沉积(ALD)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，将下面晶圆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。
电性质的改变可以包括掺杂，例如掺杂晶体管源极和漏极，通常通过扩散和/或通过离子注入。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显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

Claims (22)

1.一种操作多模约瑟夫逊参数转换器作为多模量子限幅放大器的方法，该方法包括：
由多模约瑟夫逊参数转换器，在不同的谐振频率并行接收多个量子信号，所述多个量子信号的第一组是在第一多模谐振器处接收的，并且所述多个量子信号的第二组是在第二多模谐振器处接收的；
根据应用于所述多模约瑟夫逊参数转换器的泵浦信号，由多模约瑟夫逊参数转换器同时放大所述多个量子信号；以及
根据泵浦信号，反射已经在所述不同谐振频率处被放大的所述多个量子信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述不同的谐振频率的第一组是第一多模谐振器的谐振模式；其中所述第一多模谐振器是第一左手传输线；
其中所述不同的谐振频率的第二组是第二多模谐振器的谐振模式；以及
其中所述第二多模谐振器是第二左手传输线。
3.根据权利要求2所述的方法，其中每个所述泵浦信号是所述第一组中的所述不同谐振频率之一与所述第二组中的所述不同谐振频率之一的频率和，使得在所述第一组中的一个和所述第二组中的一个的所述多个量子信号被放大。
4.根据权利要求2所述的方法，其中第一泵浦信号是所述第一组中的第一谐振频率加上所述第二组中的第一谐振频率的第一频率和，第二泵浦信号是所述第一组中的第二谐振频率加上所述第二组中的第二谐振频率的第二频率和，直至最后一个泵浦信号是所述第一组中的最后一个谐振频率加上所述第二组中的最后一个谐振频率的最后一个频率和。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一组中的所述第一至最后谐振频率中的至少一个与所述第二组中的所述第一至最后谐振频率中的至少一个是相同的。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一组中的所述第一至最后谐振频率中的至少一个与所述第二组中的所述第一至最后谐振频率中的至少一个不同。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个量子信号处于范围从5-15GHz的所述不同频率处。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多模约瑟夫逊参数转换器被配置为经由第一多模谐振器和第二多模谐振器同时放大处于不同谐振频率的所述多个量子信号，所述第一多模谐振器和所述第二多模谐振器连接到色散非线性介质。
9.一种操作多模约瑟夫逊参数转换器以产生多对纠缠光子的方法，所述方法包括：
由所述多模约瑟夫逊参数转换器中的第一多模谐振器接收在所述第一多模谐振器的所述谐振模式的不同谐振频率处的第一组信号，其中所述第一多谐振器是第一左手传输线；
由所述多模约瑟夫逊参数转换器中的第二多模谐振器接收在所述第二多模谐振器的所述谐振模式的不同谐振频率处的第二组信号，其中所述第二多模谐振器是第二左手传输线；
由所述第二多模谐振器接收泵浦信号，其中所述泵浦信号是第一频率和到最后一个频率和；以及
同时产生纠缠光子对，所述纠缠光子对包括第一对到最后一对。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一频率和是所述第一组的一个谐振频率加上所述第二组的一个谐振频率的总和，其中第二频率和是所述第一组的另一个谐振频率加上所述第二组的另一个谐振频率的总和，并且其中所述最后一个频率和是所述第一组的又一个谐振频率加上所述第二组的又一个谐振频率的总和。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，第一纠缠光子对对应于所述第一组的所述一个谐振频率处的第一光子和所述第二组的所述一个谐振频率处的第一光子，响应于所述泵浦信号的所述第一频率和的能量通过与色散非线性介质的相互作用而被下变频；
其中第二对纠缠光子对应于所述第一组的所述另一个谐振频率处的第二光子和所述第二组的所述另一个谐振频率处的第二光子，响应于所述泵浦信号的所述第二频率和的能量通过与色散非线性介质的相互作用而被下变频；和
其中最后一对纠缠光子对应于所述第一组的所述又一个谐振频率处的最后一个光子和所述第二组的所述又一个谐振频率处的最后一个光子，响应于所述泵浦信号的第三频率和的能量通过与色散非线性介质的相互作用而被下变频。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述第一组信号和所述第二组信号在范围从5-15GHz的所述不同谐振频率处。
13.一种通过测量远程纠缠多个量子位的方法，所述方法包括：
由多模约瑟夫逊参数转换器中的第一多模谐振器接收与所述第一多模谐振器的谐振模式共振的第一组读出信号，其中所述第一多模谐振器是第一左手传输线；
由所述多模约瑟夫逊参数转换器中的第二多模谐振器接收与所述第二多模谐振器的谐振模式共振的第二组读出信号，其中所述第二多模谐振器是第二左手传输线；
由所述第二多模谐振器接收泵浦信号，其中所述泵浦信号是第一频率和到最后一个频率和；以及
由约瑟夫逊参数转换器基于第一频率和生成第一量子位对，直至基于最后的频率和生成最后的量子位对。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一频率和是所述第一组的一个谐振频率加上所述第二组的一个谐振频率的总和；
其中第二频率和是所述第一组的另一个谐振频率加上所述第二组的另一个谐振频率的总和；以及
其中最后一个频率和是第一组的又一个谐振频率加上第二组的又一个谐振频率的总和。
15.根据权利要求14所述的方法，其中从第一读出谐振器接收所述第一组读出信号，所述第一读出谐振器耦合到第一量子位；和
其中从第二读出谐振器接收第二组读出信号，所述第二读出谐振器耦合到第二量子位。
16.根据权利要求15所述的方法，
其中，所述第一量子位中的一个量子位已经在所述第一组的所述一个谐振频率处被读出，并且所述第二量子位中的一个量子位已经在所述第二组的所述一个谐振频率处被读出，使得所述第一量子位对是所述第一量子位中的所述一个量子位和所述第二量子位中的所述一个量子位，响应于泵浦信号的第一频率和；
其中，所述第一量子位中的另一个量子位已经在所述第一组的所述另一个谐振频率处被读出，并且所述第二量子位中的另一个量子位已经在所述第二组的所述另一个谐振频率处被读出，使得所述第二量子位对是所述第一量子位中的所述另一个量子位和所述第二量子位中的所述另一个量子位，响应于泵浦信号的第二频率和；以及
其中，所述第一量子位中的又一个量子位已经在所述第一组的所述又一个谐振频率处被读出，并且所述第二量子位中的又一个量子位已经在所述第二组的所述又一个谐振频率处被读出，使得所述最后的量子位对是所述第一量子位中的所述又一个量子位和所述第二量子位中的所述又一个量子位，响应于泵浦信号的最后一个频率和。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一读出谐振器具有与所述第一多模谐振器的所述谐振模式一致的读出谐振器频率；和
其中所述第二读出谐振器具有与所述第二多模谐振器的所述谐振模式一致的读出谐振器频率。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一多模谐振器的所述谐振频率和所述第一读出谐振器的所述读出谐振器频率的范围均为5-15GHz；和
其中所述第二多模谐振器的所述谐振频率和所述第二读出谐振器的所述读出谐振器频率的范围均为5-15GHz。
19.一种使用光子作为量子位产生钟状态的方法，所述方法包括：
提供均连接到色散非线性介质的第一多模谐振器和第二多模谐振器，其中，所述第一多模谐振器是第一左手传输线，并且所述第二多模谐振器是第二左手传输线，其中所述第一和第二多模谐振器中的谐振模式相同；
由所述第二多模谐振器接收在频率和处的泵浦信号，所述频率和为所述谐振模式的一个谐振频率加上所述谐振模式的另一谐振频率的总和；和
以空间状态的相等叠加产生第一光子和第二光子，所述第一和第二光子的所述空间状态的所述相等叠加与在所述第一多模谐振器和所述第二多模谐振器内相关。
20.根据权利要求19所述的方法，其中配置所述第一光子的所述空间状态的所述相等叠加，使得所述第一光子具有在所述第一多模谐振器或所述第二多模谐振器内的相等概率。
21.根据权利要求20所述的方法，其中配置所述第二光子的所述空间状态的所述相等叠加，使得所述第二光子具有在所述第一多模谐振器或所述第二多模谐振器内的相等概率。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一光子和所述第二光子不都在所述第一多模谐振器和所述第二多模谐振器的同一个内。
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