CN108431687A - 采用机械元件和squid的量子相干微波至光学转换方案 - Google Patents

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Abstract

技术涉及频率转换。机械共振器(104)被配置成随轴线上的位移以机械共振频率振荡。光谐振器(108)包括与第二反射镜(202B)相对的第一反射镜(202A)，其中在之间形成有光学腔。第一反射镜(202A)固定到机械共振器(104)，使得第一反射镜(202A)根据机械共振器(104)的位移而移动以改变光学腔的光学长度，其中改变所述光学长度改变光谐振器的光谐振频率。改变光学长度改变光谐振器(108)的光谐振频率。微波谐振器(120)被定位得根据机械共振器(104)的位移而移动，使得机械共振器(104)的移动改变微波谐振器(120)的约瑟夫森电感，从而改变微波谐振器(120)的微波谐振频率。

Description

采用机械元件和SQUID的量子相干微波至光学转换方案
技术领域
本发明涉及频率转换，更具体地涉及微波和光学域之间的频率转换。
背景技术
光子是基本粒子，其包括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正比的能量并具有零静止质量。
近来，在量子光学、微波-频率量子位(qubits)和微机电(MEMS)谐振器领域的科学进步，已经获得或几乎获得了可控地制备、操纵和测量单个光学、微波或机械量子的能力。这样的系统展示了在超导微波谐振器、高精细光学腔、高品质因数机械共振器和量子操作所需的其他元件的工程设计中达到的高度完美。结合了这些先进的光学、微波和/或机械元件的系统，为实际和有用的技术提供了新的途径。特别地，能够在微波领域和光学领域之间转换量子信息的装置，将成为重要的技术进步，并在量子计算和量子信息领域发现各种用途。例如，尽管一方面可以容易地大量和高密度地制造超导微波量子比特，但另一方面光学系统显示出长距离传输量子信息和检测单个量子的优越能力。另外，例如，诸如微波领域超导量子位和光域俘获离子的两种不同技术的组合，可以实现增强的计算能力。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种频率转换装置。该频率转换设备包括机械共振器以及光谐振器，该机械共振器被配置为随轴线上的位移以机械共振频率振荡，该光谐振器包括与第二反射镜相对的第一反射镜，第一反射镜和第一反射镜之间形成有光学腔。第一反射镜被固定到机械共振器，使得第一反射镜根据机械共振器的位移而移动以改变光学腔的光学长度，其中改变光学长度改变光谐振器的光谐振频率。该频率转换设备包括微波谐振器，该微波谐振器被定位成按照机械共振器的位移而移动，使得移动机械共振器改变微波谐振器的约瑟夫森(Josephson)电感，从而改变微波谐振器的微波谐振频率。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种配置频率转换装置的方法。该方法包括：配置机械共振器为随轴线上的位移以机械共振频率振荡，以及提供光谐振器，该光谐振器被配置得使得该机械共振器的运动根据该机械共振器的位移改变光学腔的光学长度，其中改变光学长度改变光谐振器的光谐振频率。光谐振器包括与第二反射镜相对的第一反射镜，其中在第一反射镜和第二反射镜之间形成光学腔，并且第一反射镜固定到机械共振器，使得第一反射镜的运动改变光学长度。此外，该方法包括配置微波谐振器，该微波谐振器被定位得按照机械共振器的位移而移动，使得移动机械共振器改变微波谐振器的约瑟夫森电感，从而改变微波谐振器的微波谐振频率。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种频率转换装置。该频率转换设备包括机械共振器和光谐振器，机械共振器被配置为随轴线上的位移以机械共振频率振荡，光谐振器被配置为使得机械共振器的位移改变光谐振器的光学长度。光学腔包括与第二反射镜相对的第一反射镜，其中在第一反射镜和第二反射镜之间形成光学腔。第一反射镜被固定到机械共振器，使得第一反射镜被移动以改变光学腔的光学长度，其中改变光学长度改变光谐振器的光谐振频率。该频率转换装置包括拾波线圈，该拾波线圈定位成根据机械共振器的位移而移动，使得移动拾波线圈改变拾波线圈接收的总磁通量。拾波线圈处于一电路中，其中的电流根据总磁场的变化而变化。此外，频率转换设备还包括经由该电路连接到拾波线圈的输入线圈，使得由于改变该电路中的电流而改变总磁通量在输入线圈中产生次级总磁场。该频率转换装置包括一个SQUID，该SQUID既耦合到输入线圈又被并入到微波谐振器中，使得改变次级总磁场改变SQUID的约瑟夫森电感，其中改变该约瑟夫森电感改变微波谐振器的微波谐振频率。
附加的特征和优点，通过本发明的实施例实现。在此参考各附图，详细描述本发明的实施例。
附图说明
图1是示出根据本发明一个实施例的频率转换装置的俯视图的示意图；
图2是示出根据本发明一个实施例的频率转换装置的侧视图的示意图；
图3是说明根据本发明一个实施例的频率转换装置的操作的图；
图4是示出根据本发明另一个实施例的频率转换装置的俯视图的示意图；
图5是示出根据本发明再一个实施例的频率转换装置的俯视图的示意图；
图6A至6E示出了用于组装和制造根据本发明一个实施例的频率转换装置的过程，其中：
图6A示出了作为衬底的晶片或芯片；
图6B示出了在衬底的顶部上形成超导微波谐振器；
图6C示出了与基板上的微波谐振器适当对准地形成机械共振器；
图6D示出将高反射率反射镜附接到机械共振器上；
图6E示出通过结合适当对准的固定反射镜来形成光谐振器；
图7是根据本发明一个实施例的配置频率转换装置的方法的流程图；
图8A是示出根据本发明一个实施例的上变频的图。
图8B是示出根据本发明一个实施例的下变频的图。
图9A是根据本发明一个实施例的频谱图的示意图。
图9B是示出根据本发明一个实施例的泵音和转换信号的近似频率定位的示意图。
具体实施方式
约瑟夫森结是一种众所周知的超导电子器件，它包括两个超导金属区域之间的非超导势垒，超导电流可以通过该非超导势垒而不会损失能量。约瑟夫森结在电流、电压和结的任一侧上的电流的相之间具有很好被理解的关系，并且约瑟夫森结由称为约瑟夫森临界电流的参数表征。约瑟夫森结表现出电感，即它的电压和电流变化率之间的关系，这就是所谓的约瑟夫森电感。约瑟夫森结的约瑟夫森临界电流的调整同样调整约瑟夫森电感。本领域技术人员很好地理解约瑟夫森结中的约瑟夫森临界电流和约瑟夫森电感的关系。当约瑟夫森结被结合到电路中时，该特性允许约瑟夫森结作为电感器起作用，例如，它可以与电容器组合以形成谐振电路。电路内多个约瑟夫森结的组合可以同样起到电感器的作用，并且为了这个目的被结合到电路中。
(超导量子干涉设备)是本领域技术人员公知的一种超导电子设备。具体而言，被称为DC(直流)SQUID的SQUID类型包含一个由超导线、超导薄膜金属或其他超导材料形成的环路(loop)，其被两个或更多个约瑟夫森结中断。在本文和本文件的其余部分中，术语SQUID指的是在载流环路中包含两个或多个约瑟夫森结的这种特定的众所周知类型的SQUID，即称为DC-SQUID的类型。正如本领域技术人员所广泛理解的那样，通过超导电流的量子干涉原理，SQUID内约瑟夫森结的组合约瑟夫森临界电流将根据SQUID环路所经受的磁通量而变化。同样，由SQUID的约瑟夫森结表现出的约瑟夫森电感也将根据这种磁通量而变化。如果SQUID被嵌入到诸如电谐振器的电路中，则电路的行为同样将由SQUID环路所经历的磁通量来调整。此外，SQUID的阵列可以按照组合它们的电感的方式布置在电路中。规定平面环路的磁通量表示包括环路内磁场的众所周知且明确定义的量，乘以该场与垂直于环路的轴线形成的角度的余弦，集成在环路的整个区域。因此，SQUID对其附近的磁场的大小和方向都高度敏感。例如，如果场平行于平面环路的平面，则SQUID将经历零通量。但是，如果对这个SQUID环路施加一个小的倾斜，则SQUID将经历来自相同场的通量，并且因此其约瑟夫森电感将改变。对于本领域技术人员来说，对磁场的这种敏感性使得SQUID能够用作电路中的有用部件，因为SQUID的约瑟夫森电感的变化导致电路性能的有用变化。因为SQUID的临界电流和约瑟夫森电感的依赖性是高度非线性的并且关于通量是周期性的，所以对于本领域技术人员而言常见的做法是施加垂直于SQUID环路的固定磁“偏置”场，以便设置SQUID的“工作点”。如本领域技术人员所理解的那样，SQUID的约瑟夫森电感也可以被调节，即通过磁通的快速周期性变化而快速且周期性地被改变，如同通过快速且周期性地改变磁场的大小或方向那样。
本发明的实施例提供适合于量子通信和量子信息处理的微波域和光域之间(使用频率转换设备的)的单一频率转换方案。在光域和微波域之间来回传递量子信息的能力，在量子通信和量子信息处理中具有许多有趣且有用的应用。通过本发明实施例中的一个或多个频率转换设备，频率转换可以用于任何应用；下面提供一些示例应用。
1)可以利用频率转换技术来产生两个超导量子处理器之间的量子纠缠。量子纠缠是本领域技术人员已知的方法，其以对在两个量子系统之间交换信息有用的方式来链接两个量子系统的量子态。两个超导量子处理器可以驻留在两个远距离低温恒温器内，低温恒温器则可以通过光纤连接以在它们之间传递量子信息。在这样的方案中，微波域中的量子信息被上变频(通过本发明的实施例中的频率转换设备)，变为发射低温恒温器中的光频率，在连接两个低温恒温器的光纤中以非常小的损失传输，并(通过本发明的实施例中的频率转换设备)下变频回到接收低温恒温器中的微波域。或者，可以将每个处理器中的微波量子转换成光学光子，每个光子通过其光学通道从每个低温恒温器向外发送，并且包含来自两个低温恒温器中的每个低温恒温器的量子信息的光学光子在第三位置会合，它们的会合产生纠缠。低温恒温器是用于保持样品或装置(例如变频装置)低温的装置。
2)频率转换技术被配置为通过将微波频率上变频到光学频率(通过实施例中的频率转换装置)，使得能够用光纤长距离传输由微波信号承载的量子信息。
3)频率转换技术被配置为允许不同形式的量子处理单元—诸如例如俘获离子和超导量子位—之间的量子通信。
4)频率转换技术被配置为在微波域中生成纠缠光子对并且将纠缠光子转移到光域，或反之亦然(通过本发明实施例中的频率转换设备的频率转换)。
5)频率转换技术被配置为使用在光域中发展良好的单光子检测器来检测微波域中的单光子。
任何频率转换方案为执行量子信息转导而需求满足的的特征是单一性(unitarity)。单一意味着频率转换将是无损和相干的，即输出信号应该保持输入信号的能量和相位。迄今为止，还没有完全满足这种要求的现有微波到光学转换设备。如本领域技术人员所理解的，本发明的实施例中的一个或多个频率转换设备提供单一频率转换和/或近单一的频率转换。
任何频率转换方案的另一个特征是转换带宽，即频率转换设备能对传播信号执行频率转换的速率。
图1是示出根据本发明一个实施例的频率转换装置100的俯视图的示意图。图2是示出根据本发明一个实施例的频率转换装置100的侧视图的示意图。频率转换装置100被配置为通过经由机械共振器104将超导微波谐振器120耦合到光谐振器108(即，光学腔)来执行微波域和光域之间的频率转换。
根据一个实施例，频率转换装置100包括衬底102，例如介电衬底(诸如晶片，芯片等)，机械共振器104固定在衬底102上。机械共振器104在衬底102上的附接和布置可以包括穿过衬底102的中心的开口116，以便暴露机械共振器104的顶侧和底侧。衬底102中的开口116可以是诸如正方形、矩形、六边形等的几何形状。机械共振器104可以在附着到基板102时振荡(前后移动)。如图2所示的实施例所示，运动方向限定在z方向。在一个实施方式中，机械共振器104可以是夹持悬臂，其中悬臂的两端附接到基板102。根据该实施例，作为机械共振器104的悬臂的长度为l，而作为宽度机械共振器104的悬臂的宽度w可以是长度l的大约一半。衬底102可以具有开口116。开口116被设计得暴露悬臂的顶侧和底侧。开口的尺寸不应大于长度l，使得悬臂的端部能够在开口116中附着(例如，被夹持)到衬底102。
变频装置的其他实施例可以包括一个机械共振元件，该机械共振元件不是夹持悬臂，而是振动膜、单夹持的悬臂、振动环、振动盘、振动球或其他类型的高频振动元件，其振动的频率和方向与该实施例一致。在这样的实施例中，机械共振器同样附着到衬底，并以这样的方式耦合到SQUID、微波谐振器和光谐振器，使得机械共振器的运动同时通过改变光谐振器的长度而调节光谐振器的频率，以及通过改变SQUID的约瑟夫森电感而调节微波谐振器的频率。
超导微波谐振器120包括一个电容器，例如具有叉指状元件(interdigitatedfingers)110的集总元件电容器，其通被包含一个SQUID或连接在一起的多个SQUID 112的阵列的约瑟夫森电感的电感旁路。在一个实施方式中，SQUID阵列112可包括在超导环路118中并联连接的两个约瑟夫森结114和在另一个超导环路118中并联连接的两个约瑟夫森结114。环路118在一端连接在一起，环路118的另一端连接到电容器110的分离侧。当通过SQUID阵列112的磁通量被调节(以周期性方式增加和减少)时，SQUID阵列112的约瑟夫森电感同样被调节，因此微波谐振器120的谐振频率同样被调节。约瑟夫森电感的增加，减小了微波谐振频率，而约瑟夫森电感的减小，则增加了微波谐振频率，并且随着机械共振器104在z方向上下振动，这种调节以周期性的方式重复发生。机械共振器104在z方向上下振动的动作，起着在存在磁场的情况下调节SQUID 112所经历的磁通量的作用。该调节以机械共振器104的周期性(谐振频率)给出的周期性发生，并且该调节同样用于以相同的周期性调节微波谐振器120的谐振频率。
对于位于x-y平面中的SQUID环路或拾波线圈以及在z方向上振动的机械组件来说，在机械组件的位置处必定存在具有x方向上的分量(Bx)和z方向上的分量(Bz)的固定磁场(B场)。在x方向和z方向上的B场，可以由螺线管、固定磁体或任何其他装置产生。在一个实施方式中，第一磁性装置210A可以产生磁场的Bz分量，第二磁性装置210B可以产生磁场的Bx分量。
SQUID阵列112被定位在机械共振器104的一部分上，以便使在z方向上的机械运动能调节通过SQUID 112的通量。具体地，SQUID阵列112被定位在机械共振器104的夹持悬臂的约一半的位置。在一个实施例中，两个微波谐振器102，例如图4中进一步讨论的微波谐振器120_1和120_2，可以共享悬臂。在本发明的另一个实施例中，如图5所示的拾波线圈位于悬臂上，并且拾波线圈所经历的调节通量用于调节通过位于基底102上不同位置的SQUID118的通量。
根据本发明一个实施例，光谐振器108包含两个具有非常小的内部损耗的高反射率反射镜202A和202B。高反射率反射镜的例子可以是具有高于99％的反射率的反射镜。通过具有光谐振器108的两个反射镜202A和202B，形成一个具有长度L的光学腔。与该光学腔相同的光谐振器108是反射镜202A和202B的排列，其形成光波的驻波。
其中一个反射镜是固定的，例如反射镜202B，而另一个反射镜202A是可移动的，并定位在悬臂104上。在本发明的该实施例中，反射镜202A位于悬臂的中心，并且反射镜202A和SQUID阵列112被布置在悬臂104的相对侧上。悬臂104可以是被固定(夹持)到衬底102的金属或介电材料，并且反射镜202A和SQUID阵列112在其上固定(例如，用粘合材料胶合)。
机械共振器104(即，悬臂)在z方向上来回的垂直位移使光谐振器108的谐振频率偏移(即，改变光学腔的长度L)。通过进一步将固定的垂直和水平磁场Bx和Bz施加到SQUID阵列112的超导环路118，机械共振器104(即，悬臂)在垂直方向(即，z轴)上的运动改变了SQUID阵列112所经历的总磁通量(即，具有环路面积的磁场的总向量积)。因为所包括的约瑟夫森结114的组合电感取决于该磁通量，所以机械共振器104的运动由此调节其约瑟夫森结114形成初级电感部分的微波谐振器120的频率。
机械共振器104的垂直位移被配置为(同时)改变微波谐振器120的微波谐振频率和光谐振器108的光谐振频率。
在图1和图2中，微波谐振器120的电容器110的一侧连接到耦合电容器109A，而电容器110的另一侧连接到耦合电容器109B。两个耦合电容器109A和109B都连接到馈线106。馈线106用作微波谐振器120的输入和输出。微波泵信号(也被称为微波泵音)和携带量子信息的微波信号/光子沿着馈线106被传输到微波谐振器120。微波谐振器120(包括SQUID阵列112(具有环路118和约瑟夫森结114)和电容器110)、耦合电容器109A、109B和馈线106由例如铌、铝等的超导材料制成，并被冷却到超导温度。虽然电容器110在图1中被画成交叉电容(interdigitated capacitance)，应该理解，电容器110可以是间隙电容器或平板电容器。
反射镜202B是光谐振器108的端口，并且可以光学连接到一个或多个光源，用于接收光，诸如接收光信号和光泵信号两者。在一个实施方式中，光谐振器108的反射镜202B可以连接到光纤214。光纤214可以用作反射镜202B的输入(用于输入光)和输出(用于提取光)(即输入/输出端口)。反射镜202B可以是光纤214的一部分或者可以与光纤214分离。
频率转换装置100的其它实施例可以包括其并不包含两个相对的、之间具有真空空间的高反射率反射镜的光谐振器(光学腔)。例如，光谐振器(光学腔)可以包括一个引导光在两个反射镜之间反射的固体材料区域或引导光在其自身内部反射的固体材料区域，例如光谐振器或根据全内反射原理工作的光环谐振器中的那样。鉴于本文公开的教导，本领域技术人员将理解这些修改。在这样的实施例中，机械共振器、光谐振器和微波谐振器将被配置为使得机械共振器的运动调节光学腔的长度，从而调节其光谐振频率，同时，机械共振器通过SQUID调节来磁通量，以调节微波谐振器的谐振频率。本发明的这些实施例可以包括附接到机械共振器的一个反射镜，可以包括附接到机械共振器的一件光导材料，或者可以以某种其他方式将光学腔结合到机械共振器内。
图3是示出根据本发明实施例的频率转换装置100的操作的框图。频率转换设备100被设计为将(例如在馈线106上发射的)输入微波信号光子转换成(通过光谐振器108的反射镜202B输出的)输出光信号光子，反之亦然，将(通过反射镜202B发射的)输入光信号光子转换成(从馈线106上的微波谐振器120输出的)输出微波信号光子。第一场景讨论操作频率转换装置100以将输入微波信号光子转换为输出光学信号光子。可以参考图1和2。
在示出频率转换装置100的上变频(frequency upconversion)的第一场景中，微波信号光子经由耦合电容器109A、109B输入到馈送线106到微波谐振器120，并且微波信号光子是要被转换成光信号的微波信号(包含量子信息)。同时，在馈线106上向微波谐振器120施加的微波泵(microwave pump)，向微波谐振器120增加能量。因为机械共振器104的振荡移动了微波谐振，所以机械共振器104起到频率调节装置的作用，并且从而便于包含信息的微波光子信号与微波泵之间的混频。结果，含有信息的微波光子在机械共振器104的运动中以相干方式被频率转换成机械量子。通过增加微波泵的泵浦功率(pump power)来增强该转换的速率。为了进一步最大化该效应，微波泵信号被施加有与微波谐振器120的微波谐振频率不共振的(微波)频率。
共振时的微波信号和微波泵音(microwave pump tone)可以通过调节包含在机械模式中的能量来增加或减少来自机械模式的能量，即可以增加或减小机械共振器104的振动运动的幅度。当机械共振器104振荡时，微波谐振器120的谐振频率同样振荡，因此微波谐振器周期性地吸收来自固定频率微波泵音的更多或更少量的能量。微波谐振器120内的能量的这个周期性变化因此是机械共振器104在其振荡周期内的位置的函数，并且，作为位置的函数的能量的变化，构成一个力。取决于泵音的相位和频率以及机械运动的相位，该力可能滞后于该运动，因此作为拖曳力，从机械运动中减去能量；或者可能领先于该运动，从而表现得像驱动力，并为机械运动增加能量。
机械共振器104振荡，并且机械共振器104的运动通过振荡反射镜202A的位置来振荡光学腔的长度L。光学腔长度的变化会改变光谐振器108的光谐振频率。光学腔(由反射镜202A和202B形成)的长度越短，导致光谐振器108中的光谐振频率越高；光学腔的长度越短，导致光谐振频率越低。因此，光谐振频率在机械共振频率周期性地被调节。光学腔108通过反射镜202B接收光泵信号。光泵信号被施加以比光谐振频率的更低的频率，二者相差程度大致等于机械共振频率的量。因此，通过机械运动对光谐振频率的周期性调节，通过频率混合的作用，以以相干地保持机械运动的相位的方式，将光泵能量(optical pump energy)的一部分转换成光谐振频率的光学光子能量(optical photon energy)。
在说明频率转换装置100的上变频的第一场景中，该过程首先包括从微波谐振器120吸收微波信号光子并在机械共振器104中产生机械量子；机械共振器104中机械量子的产生保留了微波光子的相位。其次，该过程涉及吸收这种机械能量子和产生光子，并且该光子保持机械量子的相位。因此，通过从微波光子信号转换(例如，在一个示例中大约7GHz)引入到机械运动的相位随后被上变频到光学状态(例如，在一个示例中，在大约282太赫(THz))。已经被上变频的输出光信号光子，通过反射镜202B离开装置100(当反射镜202B作为输入端口和输出端口工作时)并沿光纤214传播；因此，输出光信号光子携带先前通过具有例如7GHz的频率的输入微波信号光子进入该装置的量子信息。
在说明频率转换设备100的下变频的第二场景中，光信号光子(例如，频率大约在282THz)从光纤214经由反射镜202B输入到光谐振器108中。光信号光子是要转换成微波频率下的微波信号的光信号(包含量子信息)。同时，光泵将一个光泵信号泵送到光谐振器108的反射镜202B(例如，从光纤214)，该光泵信号将能量添加到光谐振器108和机械共振器104。如上所述，微波泵信号和光泵信号都被施加到频率转换装置100以增强和控制操作。光泵信号被施加与光谐振器108的光谐振频率不谐振的频率。具有量子信息的输入光学信号和光泵信号以机械共振器104的机械共振模式结合而产生能量，该能量导致(或有助于)机械共振器104的振荡。
使用辐射压力的概念可以理解机械运动与光谐振器108的相互作用。当光学光子连续地照射在反射镜202A上时，在光学腔内(即，光谐振器108)内行进的光子(光学量子)在反射镜202A上施加力(即，施加到反射镜202A的表面的压力)。为了从机械模式增加或减少能量(以增加或减小机械振荡器104的振动的幅度)，该力将在机械运动的频率下变化并且具有领先或滞后机械振荡器的运动的相位。机械共振器104(例如，悬臂)的振荡周期性地调节光学腔(即，光谐振器108)的光谐振频率，并且该频率调节使得能够进行光学器件频率和机械共振器频率之间的频率混合，即频率的上变频和下变频。光谐振器频率的周期性调节意味着进入光学腔(即光谐振器108)的泵能(pump energy)同样被以机械振荡器104的频率周期性地调节。施加到机械装置的辐射压力的相应的周期性变化谐振器104使该辐射压力能够将机械模式的能量增加或减少，即增加或减小机械共振器104的振动运动的幅度。结合频率混合作用，该行为增加或减少去往/来自机械共振器模式的能量量子(energyquanta)，即去往/来自机械共振器104的振动。
机械共振器104在垂直即z方向上振荡，并且由此由于磁场Bx和Bz而在SQUID阵列112的SQUID环路内的磁通量的量在机械共振器频率处周期性地变化。当机械共振器104向上和向下弯曲时，微波谐振器120中的SQUID阵列112中的SQUID环路的取向的角度相对于磁场B的方向变化。SQUID环路108的轴几乎垂直于磁场的Bz分量，因此该角度的变化可忽略地影响由Bz场引起的磁通量的量。然而，小弯曲使SQUID环路从平行于Bx的方向偏离，因此振荡的主要影响是改变由Bx磁场分量引起的磁通量。在实现和配置频率转换设备100时，用户因此可以设置Bz以便指定SQUID 118的“工作点”，而用户可以设置Bx以指定SQUID 118的调节效果的大小。在SQUID阵列112中的总磁通量的变化(基于SQUID阵列112的取向的变化)改变SQUID阵列112的约瑟夫森电感。该电感的变化相应地使微波谐振器120的微波谐振频率偏移。约瑟夫森电感越小，微波谐振频率越高，电感越大，微波谐振频率越低。微波谐振器120以与微波谐振频率不同的微波频率接收微波泵信号(microwave pump signal)，微波谐振频率与微波频率相差的量大致等于机械共振频率。由机械共振器104的振荡引起的SQUID阵列112的取向的振荡由此使微波谐振频率振荡，使得来自微波泵信号的更多或更少量的能量进入微波谐振器120，这个振荡速率等于机械共振器频率。微波谐振器120的频率调节因此使微波谐振器120能够上变频机械运动量子以产生微波信号光子(例如，在大约7GHz的频率)，同时保持机械量子的相位。
在说明频率转换装置100的下变频的第二场景中，该过程首先从光谐振器108的对光信号光子的吸收和机械量子在机械共振器104中的产生。机械共振器104的机械量子的产生，保持光学光子的相位。其次，该过程涉及这种机械能量量子的吸收以及保留机械量子的相位的微波光子的产生。由此，从光学频率向微波频率的下变频保持了信号从光学到微波状态的相位。馈线106作为输入和输出端口操作，已经从原始光信号下变频的输出微波信号光子在馈线106上向外传播。
磁场Bz和Bx可以由任何磁场产生装置210A和210B产生。作为非限制性示例，磁场产生装置210A和210B可以具有围绕金属材料212A、212B的线圈211A、211B。可以理解，可以使用其他类型的磁场产生装置。
在一个实施方式中，微波谐振器120可以被配置成具有7GHz的微波谐振频率，并且微波谐振器120具有每纳米200MHz的(悬臂的)每纳米垂直位移的微波谐振频率的变化。这样，当机械共振器104弯曲1nm时，微波谐振器120的微波谐振频率分别增加或减少200MHz(由于约瑟夫森电感的相应变化)。光谐振器108可以被配置为具有282THz的光谐振频率，并且光谐振器可以具有每纳米10MHz的(悬臂的)每纳米垂直位移的光谐振频率的变化。这样，当机械共振器104弯曲1nm时，光谐振器108的光谐振频率分别增加或减少10MHz(由于光学长度L的相应改变)。相应地，当7GHz频率的微波信号要被频率转换设备100上变频时，频率转换设备100将7GHz频率的微波信号上变频为282MHz频率的光信号，使得已被上变频的光信号可以在光纤214上向外发送。同样，当282THz频率的光信号要被频率转换设备100进行下变频时，频率转换设备100将282THz频率的光信号下变频成7GHz的微波信号，使得已经被下变频的微波信号可以被发送到馈线106的外部。
现在转向图5，提供了示出根据另一实施例的频率转换装置400的俯视图的示意图。频率转换装置400包括图1和图2中的频率转换装置100的全部元件，唯一例外是第二微波谐振器通过利用悬臂的另一半耦合到光学腔。而且，图2中的频率转换装置100的一些元件在频率转换设备400中不重复，尽管这些元件(例如，元件108、202A、202B、210A、210B、214)是要被包括在设备400中和/或在设备400中被利用。
如上所述，频率转换装置400包括支撑机械共振器104的基板102。基板102可含有开口116。开口116使得机械共振器的顶表面和底表面被暴露和/或访问。
参考图4，第一和第二微波谐振器120_1和120_2经由机械共振器104耦合到光谐振器108(即光学腔)。如上所述，超导微波谐振器120_1和120_2分别包括被SQUID阵列112_1、112_2分路的集总元件电容器110_1、110_2。阵列112_1、112_2中的每个SQUID分别包括在SQUID环路118_1,118_2中并联连接的约瑟夫森结114_1、114_2，从而形成SQUID阵列112_1、112_2。每个SQUID阵列112_1、112_2的两端分别连接到电容器110_1、110_2的分离侧。每个SQUID阵列112_1、112_2因此包括磁通可调电感。每个SQUID阵列112_1、112_2的约瑟夫森电感随着机械共振器104上下弯曲而周期性地变化，由此改变由水平和垂直磁场Bx和Bz引起的两个SQUID环路内的磁通量。
与频率转换装置100不同，频率转换装置400具有位于机械共振器104的一部分(大约一半)上的SQUID阵列112_1，而SQUID阵列112_2位于另一部分(一半)上。如上所述，机械振荡器104的运动，在周期性地改变SQUID阵列112_1和112_2的约瑟夫森电感的同时，也同时改变光谐振器108的长度(并且因此改变光谐振器的光谐振频率)。这个规则的周期性变化，可以通过例如反射镜202A附接到机械共振器、并由此振荡其相对于反射镜202B的位置(反射镜202A)而发生。反射镜202A可以位于悬臂104的表面的中心，在与SQUID 112_1、112_2所处的相反的一侧。
机械共振器104(即，悬臂)的垂直位移改变了光学腔的长度，并因此改变了光谐振器108的谐振频率。通过在机械共振器的区域中进一步(例如通过磁性装置210A和210B)施加固定的垂直磁场和固定的水平磁场，在微波谐振器120_1、120_2和机械共振器104之间引入电感耦合。悬臂104(即，机械共振器)在垂直方向上(即，z轴)周期性地上下摆动挠曲，周期性地改变穿过SQUID阵列112_1、112_2的总磁通量；这个振荡改变穿过SQUID 112_1、112_2的总磁通量，从而相应地改变这些SQUID的约瑟夫森电感，并因此改变各个微波谐振器120_1、120_2的微波谐振频率。
微波谐振器120_1、120_2相应的电容器110_1、110_2的一侧，连接到相应的耦合电容器109A_1,109A_2，电容器110_1、110_2的另一侧连接到相应的耦合电容器109B_1、109B_2。耦合电容器109A_1、109A_2和109B_1,109B_2二者分别连接到馈线106_1、106_2。
第一微波谐振器120_1和第二微波谐振器120_2各自可以具有不同的微波谐振频率。经由馈线106_1或106_2的非共振微波驱动音(off-resonance microwave drive tone)选择将哪个微波谐振器120_1或120_2耦合到光谐振器108(光学腔)，该选择这取决于这种微波非共振驱动(microwave off-resonance drive)(即微波泵信号)被应用到哪个微波谐振器120_1或120_2。
图5是示出根据本发明又一实施例的频率转换装置500的俯视图的示意图。频率转换装置500包括图1和图2中的频率转换装置100的元件，虽然有些元件不重复。
频率转换设备500包括一个微波谐振器520。微波谐振器520具有由电容器110旁路的SQUID 112。在这个实现中，仅利用具有两个约瑟夫森结114的单个环路118。在另一个实现中，可以用两个或更多环路118来形成SQUID 112的阵列。如上所述，电容器110的相应侧连接到耦合电容器109A和109B，并且耦合电容器109A和109B连接到馈线106。
与频率转换装置100不同，频率转换装置500将整个微波谐振器520定位在基板102上，而机械共振器104上没有元件。在这种情况下，微波谐振器520的SQUID112不随着机械共振器104(即，悬臂)的移动而移动。相反，超导拾波线圈502与反射镜202A一起固定在机械共振器104(即，悬臂)的顶部上，使得超导拾波线圈502和反射镜202A两者与机械共振器104一起振荡。反射镜202A和202A拾取线圈502可以定位在机械共振器104的相反表面上。
(机械共振器104的)机械运动通过超导拾取线圈502、超导连接线504和超导输入线圈506来调节SQUID的约瑟夫森电感(在SQUID 112中)。以这种方式，微波谐振器120和SQUID 112可以被定位在距机械共振器104一定距离处，以避免由机械共振器104附近存在的光场和磁场干扰到SQUID 112。超导拾波线圈502的取向随着机械共振器104上下弯曲而变化。进入拾波器线圈502的磁通量的变化相应地通过输入线圈506改变电路中的电流(经由线路504)。输入线圈506经由电路连接到拾波线圈502，使得改变拾取线圈502中的磁通量在输入线圈506中产生次级总磁场。SQUID 112通过互感耦合到输入线圈506，使得改变该次级总磁场改变SQUID 112的约瑟夫森电感。这种通过用远离SQUID的位置处的拾波线圈调节SQUID的约瑟夫森临界电流或约瑟夫森电感的方法，是本领域技术人员众所周知的。通过拾波线圈502的磁通量的振荡变化从而导致微波谐振器520的微波谐振频率振荡。如上所述，改变(增加和减小)微波谐振器520中的电感改变微波谐振器520的微波谐振频率。
在一个实施方式中，如本领域技术人员所理解的，SQUID112可以包括单匝SQUID垫圈线圈(washer coil)和重叠的多匝输入线圈。
图6A至图6E示出了根据一个实施例的用于组装和制造变频装置100的过程的侧视图。
图6A示出了电介质衬底102的晶片或芯片。衬底102可以是硅、蓝宝石、硅石和/或其他材料，并且可以具有大约100微米(μm)至3毫米(mm)的厚度。
图6B示出了将超导微波谐振器120和SQUID 112形成为衬底102顶部上的薄膜金属图案。该金属可以是大约50nm至2微米厚，并可由铝、铌或其他超导金属形成。超导金属(连同电容器109A，109B，110和馈线106一起形成超导微波谐振器120和SQUID 112)可以通过蒸发、溅射或其他常规金属沉积方法沉积在衬底102的顶部。可以使用光刻、电子束光刻或其他图案化技术在金属中形成图案。而且，可以使用湿化学蚀刻、等离子体蚀刻、剥离或其他金属膜图案化方法在金属中形成图案。金属膜可以是单层或多层。SQUID 112中的约瑟夫森隧道结114可以使用AlO x隧道势垒或其他隧道势垒来形成。约瑟夫森隧道结114可以使用常规方法形成，例如Nb/AlOx/Nb三层方法，Al双角度蒸发方法或一些其他方法。电容器109A，109B和110可以形成为由单个金属层制成的交叉指型电容器，或者可以是由多层金属和电介质形成的平行板电容器，或者采用某种其他设计。
图6C示出了与基板102上的微波电路(即，微波谐振器120)正确对准地形成谐振机械(MEMS)元件(其是机械共振器104)，并且在相对侧上留下开放空间116用于并入附着的反射镜和光学腔。机械共振器104(特别是悬臂)可以由硅、氮化硅、碳化硅和/或在低温下具有高刚度和低机械耗散的任何其他电介质材料形成。可以通过使用绝缘体上硅(SOI)技术将介电材料结合到衬底102中，或者可以使用气相沉积或其他方法将该介电材料作为例如0.5到10微米厚度的薄膜施加到衬底。机械共振器104的图案化可采用诸如光刻或电子束光刻等技术，并且自由悬置机械共振器104(MEMS元件，例如悬臂)的形成可使用等离子体蚀刻、湿化学蚀刻、XeF2蚀刻、临界点干燥或其他类似的方法。
图6D示出了将高反射率反射镜202A添加/附接到机械共振器104上。在一个实施方式中，反射镜202A可以被设计用于单波长，包括诸如SiO2/Ta2O5的具有交替折射率的电介质薄膜的布拉格(Bragg)叠层。在一个实施方式中，反射镜202A可以包括机械共振器104本身。而且，反射镜202A可以通过薄膜沉积、光刻图案化和等离子体蚀刻或湿化学蚀刻形成在机械共振器104上，或者可以用显微操纵器和粘合剂，或采用其他方式，将反射镜202A附着到机械共振器104上。
图6E示出了通过结合适当对准的固定反射镜202B来形成光谐振器108(即光学腔)的实施例。固定反射镜202B可以是设计用于单波长操作的布拉格叠层，并且根据需要可以比移动反射镜202A更大或更小以及反射率更高或更低。固定反射镜202B可以通过直接沉积到光纤214的尖端上来形成，或者可以是用于自由空间光束的自立反射镜。该对准可以用可移动定位器或自对准图案化衬底片602来实现，或通过其他手段来实现。在此操作之后，变频装置被制备成包括微波和光纤连接器的封装。
图7是根据本发明实施例的配置频率转换装置100的方法的流程图700。
在框705处，根据本发明的该给定实施例，机械共振器104被配置为以用于设备操作的机械共振频率振荡，并且在与设备的其他部件和设备内部的磁场正确对准的方向上振荡。例如，机械共振器104可以以1MHz的频率在z轴方向振荡。
在框710处，根据一个实施例，光谐振器108被配置为具有与第二反射镜202B相对的第一反射镜202A，其中在第一反射镜和第二反射镜形成光学腔，第一反射镜固定到机械共振器104，使得第一反射镜202A根据机械共振器104的位移而移动，以改变光学腔的光学长度L，其中改变光学长度L改变(即，偏移)光谐振器108的光谐振频率。
在框715处，SQUID 118或拾取线圈502被定位成根据机械共振器104的位移而移动，使得移动机械共振器104改变SQUID的电感。SQUID被结合到微波谐振器120中，从而改变(即，偏移)微波谐振器120的微波谐振频率。
机械共振器104(例如，悬臂)被固定到衬底102，使得机械共振器104自由地在z方向上振荡。
将微波谐振器120定位成使得SQUID 118或拾波线圈502可以位于具有x和z方向上的分量(即，Bx和Bz)的磁场B的区域中。机械共振器的弯曲运动使得SQUID环路或拾波线圈相对于磁场的取向发生变化，从而改变SQUID环路中的磁通量。通量的这种变化从而导致SQUID的约瑟夫森电感变化，从而引起微波谐振器的谐振频率变化。
微波谐振器120包括连接到电容器110的超导量子干涉装置(SQUID)112。SQUID112被配置在机械共振器上，使得机械共振器的位移被配置成改变SQUID112内磁通量的大小，以便相应地改变SQUID中的约瑟夫森电感，从而改变微波谐振器120的微波谐振频率。
根据本发明一个实施例，第一反射镜202A和SQUID 118或拾取线圈502被固定到机械共振器104，使得机械共振器104的位移同时通过第一反射镜202A改变光谐振频率和通过改变SQUID112中的约瑟夫森电感改变微波谐振频率。机械共振器104的振荡被配置为使微波频率的微波信号(通过馈线106输入)被转换成在光频率的光信号(将通过反射镜202B输出)。相反，机械共振器104的振荡被配置为使得光频率的光信号(通过反射镜202B输入)被转换为微波频率的微波信号(将通过馈线106输出)。
光泵音(pump tone)向光谐振器和机械共振器添加能量，微波泵音向微波谐振器和机械共振器添加能量。将微波信号转换为光信号的频率转换过程是单一的(unitary)，使得信息的能量和相位都被保持。将光信号转换成微波信号的频率转换过程是单一的，使得信息的能量和相位都得以保持。微波谐振器、光谐振器和机械共振器被配置为将单个微波光子转换为单个光学光子，并且(同样)将单个光学光子转换为单个微波光子。
机械共振器的位移被配置为改变SQUID的位置、角度或取向，使得SQUID中的总磁通量具有根据机械共振器的位移变化的量值，并且总磁通量的变化的量值被配置为相应地改变SQUID中的约瑟夫森电感，由此改变微波谐振器的微波谐振频率。
参看图4，另一个SQUID 118_2被定位，以根据机械共振器104的位移而移动，使得移动另一个SQUID 118_2改变另一个微波谐振器120_2的电感，由此改变另一个微波谐振器120_2_2的微波谐振频率。微波谐振器120_1电容性地连接到馈线106_1以便选择用于耦合到光谐振器108的微波谐振器120_1。另一个微波谐振器120_2电容性地连接到另一馈线106_2以便选择用于耦合到光谐振器108的另一个微波谐振器120_2。
图8A是示出根据本发明实施例的将包含量子信息的微波光子上变频为包含量子信息的光学光子的频率转换设备100、400、500的概念的黑盒图。为了操作频率转换装置100、400、500，携带信息的微波光子信号被输入到将微波光子信号相干转换成由频率转换装置100、400、500发射的光学光子信号的装置。光泵音和微波泵音被施加到频率转换装置100、400、500以增强和控制操作。
相反，图8B是示出根据本发明实施例的将包含量子信息的光学光子下变频为包含量子信息的微波光子的频率转换设备100、400、500的概念的黑盒框图。为了操作频率转换装置100、400、500，携带信息的光学光子信号被输入到将光学光子信号相干地转换成由频率转换装置100、400、500发射的微波光子信号的装置。再次，光泵音和微波泵音被应用于设备以增强和控制操作。
图9A是根据本发明实施例的频率转换装置中机械、微波和光学谐振的频率和线宽的频谱图的示意图。示出了示例值，但是可以理解的是，这些值可以被修改。图9B是示出根据本发明实施例的微波和光泵音和转换信号的近似频率定位的示意图。
图9A在频谱图中示出了三个谐振：机械902、微波904和光学906。这些谐振可以通过它们各自的角共振频率ωm(机械)、ωe(微波)和ωo(光学)以及它们的三个共振线宽κm(机械)、κe(微波)和κo(光学)来表征，正如本领域技术人员所理解的那样。图9B表示，根据本发明的一个实施例，为了便于频率转换装置的操作，在频率空间中，相对于这三个谐振频率和这三个谐振线宽，微波泵(microwave pump)和微波信号以及光泵(optical pump)和光信号应当位于频率空间中的哪里。
下面提供了频率转换设备100、400、500的原理的进一步细节。为了便于理解，使用了小标题。应当理解，小标题用于解释的目的而非限制。
微波谐振频率对通量偏差的依赖性
假设SQUID很小，LI0＜＜Φ0/2，其中(磁通量子)。SQUID环路的几何电感为L，I0是约瑟夫森结的临界电流。约瑟夫森结电感对穿过环路的磁通量的依赖关系为其中 where施加的通量工作点为Φb，由机械运动引起的通量变化为δΦ。
微波谐振器的角频率由下式给出：其中C是谐振器的电容，Ls是谐振器的杂散电感(而不是约瑟夫森结和SQUID环路的电感)，N是阵列中SQUID环路的数量。
微波谐振频率对机械运动的依赖性
在悬臂非常小的位移限制下，微波谐振器的角频率谐振频率可写为：其中频率是在没有机械运动的情况下的平均共振频率，z是机械运动的振幅。
由机械共振器(悬臂)的垂直位移引起的角共振频率的偏移为一阶导数可以表示为其中
机电耦合率
机电耦合强度由下式给出：其中，对于则 对于N＝2和则对于Bx＝10-3T(10G)和w＝50μm，则假设Ls＝0.1nH,zZPF＝5·10-16m,使得I0＝1μA和LJ0＝0.17nH.在时，SQUID电感为0.34nH。耦合常数为
微波谐振器能具有非常低的损耗
假定微波谐振器在4ωm＞＞κe,o和κe,o＞＞ge,o的解析边带极限操作。这里，κe,o是微波(e)或光学(o)谐振的线宽，ge,o是微波(e)谐振器和机械运动之间或光学(o)谐振器和机械运动之间的耦合常数。因此，对于ωm/2π＝1MHz，我们将κe/2π设置为1MHz，对于其给出Qext＝7000。这里，Qext是微波谐振器关于外部电路的品质因数。在这个设计实例中，微波谐振器电容被设定为C＝1.2pF，并且关于微波信号馈线的耦合电容被设定为C_c＝8.8fF。一个特别的要求是Qi＞＞Qext，其中Qext是外部品质因数，Qi是内部品质因数。作为可行性证明，已经表明，在4-6.5GHz范围内谐振的具有C～2pF的超导谐振器(实现为使用单晶硅作为介电层的平板电容器)的Qi，在20mK的单光子激发态下可以高达Qi＝2·105。
机电转换率的上界
为了增强耦合常数，可以施加被从微波腔谐振(即微波谐振器谐振)红移(red-shifted)机械共振器的谐振频率的强非谐振微波泵音。这个泵音设定微波-机械耦合常数的大小，其中ne是由于所施加泵音而存在于微波谐振器中的光子数目，ge0是在机械共振器的零点运动水平存在的最小微波-机械耦合。
为了获得可以实现的最大耦合常数的上限，我们在表达式中用ge代替了可以应用于微波谐振器的最大光子数量的估计值(在此数量之上约瑟夫森结被驱动进入电压状态)ne～105。这给出了上限注意到通过考虑由于大的微波驱动而产生的约瑟夫森结的非线性的开始，可以找到更紧密的界限。
随后，这产生频率转换率的上限，其在解析边带限制中由下式给出，即使得
上变频/下变频过程的视在光子数效率
解析边带限制条件4ωm＞＞κe,κo中的上变频/下变频过程的视在光子数效率由下式给出。
其中A＝AeAo是总转换增益，是微波电路增益，是光电路增益，κm是内在机械阻尼，和分别表示从微波和光谐振器出射到传播模式的能量的分数，κe,ext和κo,ext是能量分别离开微波和光谐振器进入传播模式的速率，∈是光学模式匹配。
可见，如果器件满足以下条件，则可以获得机械共振ω＝ω_m上接近于1(unity)的上变频/下变频效率Soe(ω)、Seo(ω)。
(1)频率转换设备工作在解析边带限制，产生增益
(2)转换率Γe、Γo匹配Γe＝Γo。
(3)与转换率Γe、Γo相比，机械损失κm可忽略不计。
(4)ηe和η0都接近于一(unity)，即两个谐振器强耦合，内部损耗低，并且对光学腔来说匹配参数ε接近于一。这里符号ηe和η0分别表示在离开微波或光谐振器之后由馈线或光纤收集的微波能和光能的部分。
使用频率转换装置的示例方案
为所提出的使用频率转换装置的方案假定典型数值。典型数值包括机械共振器频率机械共振器品质因数微波谐振器频率微波谐振器外部品质因数微波谐振器内部品质因数光谐振频率光谐振器外部品质因数光谐振器内部品质因数 亿，光学机械和机电转换速率
典型数值包括机械共振器线宽微波谐振器品质因数光谐振器品质因数微波谐振器线宽 光谐振器线宽微波电路增益Ae＝1.08，光路增益Ao＝1.04，微波耦合效率ηe＝0.93，光耦合效率ηo＝0.99ε，其中如果反射镜大于激光束大小，则ε～1是合理的。因此，这非常接近统一(或者可以认为关于频率转换是统一的)。
应该注意，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类：沉积、去除、图案化和电特性修改。
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。
去除是从晶片移除材料的任何工艺：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，并且通常称为光刻。例如，在传统的光刻中，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，将下方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。
图3、7和8中的流程图和框图示出了系统和方法的可能实现的架构、功能和操作。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，或者这些框有时可以以相反的顺序执行。还将注意到，框图和/或流程图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功能或动作或者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来实现。
在本发明的优选实施例中，提供了一种频率转换装置，包括：机械共振器，被配置为用轴上位移以机械共振频率进行振荡；光谐振器，被配置为使得机械共振器的位移改变光谐振器的光学长度，光谐振器包括与第二反射镜相对的第一反射镜，其中在第一反射镜和第二反射镜之间形成光学腔，第一反射镜固定到机械共振器使得第一反射镜移动以改变光学腔的光学长度，其中改变光学长度改变光谐振器的光谐振频率；以及拾波线圈，其被定位成根据机械共振器的位移而移动，使得移动拾波线圈改变由拾波线圈接收的总磁通量，其中拾波线圈处于其中电流根据总磁场的变化而变化的电路中；输入线圈经由电路连接到拾取线圈，使得作为改变电路中的电流的结果，改变总磁通量在输入线圈中产生次级总磁场；SQUID既耦合到所述输入线圈又并入到微波谐振器中，使得改变所述次级总磁场改变所述SQUID的约瑟夫森电感，其中改变所述约瑟夫森电感改变所述微波谐振器的微波谐振频率。
优选地，微波谐振器包括连接到电容器的SQUID；并且其中SQUID和微波谐振器不位于机械共振器上。
已经出于说明的目的呈现了本发明的各种实施例的描述，但这些描述并非旨在穷举或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围的情况下，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。在此使用的术语的选择是为了最好地解释本发明的实施例的原理、实际应用或相对于在市场中的技术的技术改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的实施例。

Claims (23)

1.一种频率转换装置，包括：
机械共振器，被配置为随轴线上的位移以机械共振频率振荡；
光谐振器，包括与第二反射镜相对的第一反射镜，其中在第一反射镜和第二反射镜之间形成有光学腔，第一反射镜固定到机械共振器，使得第一反射镜根据机械共振器的位移而移动以改变光学腔的光学长度，其中改变所述光学长度改变光谐振器的光谐振频率；和
微波谐振器，其被定位成根据机械共振器的位移而移动，使得机械共振器的移动改变微波谐振器的约瑟夫森电感，从而改变微波谐振器的微波谐振频率。
2.根据权利要求1所述的频率转换装置，还包括衬底，其中所述机械共振器被固定到所述衬底，使得所述机械共振器自由摆动。
3.根据权利要求2所述的频率转换装置，其中所述衬底包括所述机械共振器下方的孔，使得所述机械共振器的两侧暴露或可接近。
4.根据权利要求1所述的频率转换装置，其中所述微波谐振器包含SQUID；和
其中所述SQUID被定位成根据所述机械共振器的位移而移动，使得移动所述机械共振器改变所述SQUID的约瑟夫森电感。
5.根据权利要求4所述的频率转换设备，其中所述SQUID位于存在从一个或多个磁场产生装置同时接收的两个独立分量的磁场的所述机械共振器；
其中由所述机械共振器上的所述SQUID接收的总磁场产生穿透所述SQUID的总磁通量。
6.根据权利要求5所述的频率转换装置，其中，所述机械共振器的位移被配置为移位所述SQUID的位置、角度或取向，使得所述SQUID中的总磁通量具有根据所述SQUID的位移变化幅度；
其中总磁通量的变化幅度被配置成相应地改变SQUID中的约瑟夫森电感，从而改变微波谐振器的微波谐振频率。
7.根据权利要求4所述的频率转换装置，其中所述SQUID是个DCSQUID，包括在超导环路内两个或更多个约瑟夫森结；和
其中所述SQUID被配置在所述机械共振器上，使得所述机械共振器的位移被配置为改变由所述SQUID接收的总磁通量，以相应地改变所述SQUID中的约瑟夫森电感，由此改变所述微波谐振器的微波谐振频率。
8.根据权利要求4所述的频率转换设备，其中所述机械共振器的位移同时地：
通过改变光学腔的光学长度来改变光谐振器的光谐振频率；和
通过改变SQUID中的约瑟夫森电感来而改变微波谐振器的微波谐振频率。
9.根据权利要求1所述的频率转换装置，其中所述机械共振器的位移被配置为使微波频率的微波信号被转换为光频率的光信号；和
其中所述机械共振器的位移被配置成使得光频率的光信号被转换为微波频率的微波信号。
10.根据权利要求1所述的频率转换装置，还包括另一个微波谐振器，所述另一个微波谐振器被定位成根据所述机械共振器的位移而移动，使得移动所述另一个微波谐振器改变所述另一个微波谐振器的另一个约瑟夫森电感，由此改变另一个微波谐振器的微波谐振频率。
11.根据权利要求10所述的频率转换设备，其中所述微波谐振器电容性地连接到馈线以选择用于耦合到所述光谐振器的所述微波谐振器；
其中所述另一微波谐振器电容性地连接到另一馈线以选择用于耦合到所述光谐振器的另一微波谐振器；和
其中所述馈线和所述另一馈线承载输入和输出场。
12.一种配置频率转换装置的方法，所述方法包括：
配置机械共振器为随轴线上的位移以机械共振频率振荡；
提供光谐振器，所述光谐振器被配置为使得所述机械共振器的运动根据所述机械共振器的位移改变所述光学腔的光学长度，其中改变所述光学长度改变所述光谐振器的光谐振频率，其中所述光谐振器包括与第二反射镜相对的第一反射镜，其中在第一反射镜和第二反射镜之间形成光学腔，第一反射镜固定到机械共振器，使得第一反射镜的运动改变光学长度；和
配置微波谐振器，所述微波谐振器被定位成根据所述机械共振器的位移移动，使得移动所述机械共振器改变所述微波谐振器的约瑟夫森电感，从而改变所述微波谐振器的微波谐振频率。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述机械共振器被附着到基底并且被允许在附着到所述基底的同时自由地振动。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述微波谐振器并入一SQUID；
其中所述SQUID在存在从一个或多个磁场源同时在两个正交方向上施加的磁场的情况下定位在所述机械共振器上；
其中由所述机械共振器上的所述SQUID接收的总磁场产生穿透所述SQUID的总磁通量。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述SQUID的角度、取向或位置被配置为根据所述机械共振器的位移而变化，从而改变所述总磁场在所述SQUID内产生的总磁通量；
其中改变SQUID中的总磁通量相应地改变SQUID中的约瑟夫森电感，从而改变微波谐振器的微波谐振频率。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述微波谐振器包括连接到电容器的SQUID。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述光学腔和所述SQUID被固定到所述机械共振器，使得所述机械共振器的位移同时地：
通过改变光学腔的光学长度来改变光谐振器的光谐振频率；和
通过改变SQUID中的约瑟夫森电感来而改变微波谐振器的微波谐振频率。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述机械共振器的位移被配置为使微波频率的微波信号被转换为光频率的光信号；和
其中所述机械共振器的位移被配置成使得光频率的光信号被转换为微波频率的微波信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，光泵音向所述光谐振器和所述机械共振器添加能量；和
其中微波泵音向所述微波谐振器和所述机械共振器添加能量。
20.根据权利要求18所述的方法，其中将所述微波信号转换成所述光信号的频率转换过程是单一的，使得信息的能量和相位都被保持；
其中将所述光信号转换成所述微波信号的频率转换过程是单一的，使得信息的能量和相位都被保持。
21.根据权利要求12所述的方法，其中所述微波谐振器、所述光谐振器和所述机械共振器被配置为将单一微波光子转换为单一光学光子并且将所述单一光学光子转换成单一微波光子。
22.根据权利要求12所述的方法，其中，另一个微波谐振器被定位成根据机械共振器的位移而移动，使得移动该另一个微波谐振器改变该另一个微波谐振器的约瑟夫森电感，从而改变该另一个微波谐振器的微波谐振频率，同时改变微波谐振器的微波谐振频率。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述微波谐振器电容性地连接到馈线以选择用于耦合到所述光谐振器的所述微波谐振器；
其中所述另一微波谐振器电容性地连接到另一馈线以选择用于耦合到所述光谐振器的该另一微波谐振器；和
其中所述馈线和所述另一馈线承载输入和输出场。
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