CN109643980A - 用于量子信息处理的基于可调滤波器的无损微波开关 - Google Patents
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Abstract
这里讨论的技术涉及一种无损微波开关。无损微波开关包括多个端口。无损微波开关包括可调滤波器。多个端口的每一个可操作地耦合到相应的一个可调滤波器。
Description
背景技术
本发明涉及超导电子器件，更具体地说，涉及用于量子信息处理的基于可调滤波器的无损微波开关和/或路由器。
射频(RF)和微波开关是用于通过传输路径路由高频信号的设备。射频和微波开关广泛用于微波测试系统，用于仪器和设备之间的信号路由。将开关结合到开关矩阵系统中使得能够将来自多个仪器的信号路由到单个或多个设备。与电气开关类似，RF和微波开关具有不同的配置，可灵活地为许多不同的应用创建复杂的矩阵和自动测试系统。
在物理学和计算机科学中，量子信息是在量子系统状态下保存的信息。量子信息是量子信息理论研究的基本实体，可以使用称为量子信息处理的工程技术进行操纵。像经典信息可以用数字计算机处理、从一个地方传送到另一个地方、用算法操纵并且可以用计算机科学的数学分析那样，类似的概念适用于量子信息。诸如超导量子位的量子系统对电磁噪声非常敏感，特别是在微波和红外域中。
发明内容
根据一个或多个实施例，提供了一种无损微波开关。无损微波开关包括多个端口和多个可调滤波器。多个端口的每一个可操作地耦合到相应的一个可调滤波器。
根据一个或多个实施例，提供了一种配置无损微波开关的方法。该方法包括提供多个端口并提供多个可调滤波器。多个端口的每一个可操作地耦合到相应的一个可调滤波器。
根据一个或多个实施例，提供了一种无损微波开关。无损微波开关包括多个端口和多个可调滤波器。多个端口的每一个与可调滤波器中的一个相关联。可调滤波器的每一个包括超导量子干涉装置。
根据一个或多个实施例，提供了一种无损微波开关。无损微波开关包括节点和连接到节点的可调滤波器。可调滤波器被配置为独立地调谐到第一状态以发送信号并且被独立地调谐到第二状态以阻挡信号，使得可调滤波器的任一个被配置为通过节点将信号发送到可调滤波器的其他任一个。
根据一个或多个实施例，提供了一种无损微波开关。无损微波开关包括多个端口。多个端口的第一对具有连接在其间的可调滤波器，其中可调滤波器被配置为传输微波信号。多个端口的第二对具有连接在其间的另一个可调谐滤波器，其中另一个可调谐滤波器被配置为反射微波信号。
从另一方面看本发明，提供了一种无损微波开关，包括：多个端口；和多个可调滤波器，其中多个端口中的每一个与可调滤波器中的一个相关联，其中可调滤波器的每一个包括超导量子干涉设备。
可调滤波器可以是低通滤波器。或者，可调滤波器可以是高通滤波器。
从另一方面看本发明，提供了一种无损微波开关，包括：节点；连接到节点的可调谐滤波器，其中可调滤波器被配置为独立地调谐到第一状态以发送信号并且被独立地调谐到第二状态以阻挡信号，使得可调滤波器的任一个被配置为通过节点将信号发送到可调滤波器的其他任一个。
优选地，可调滤波器的任一个和可调滤波器中的其他任一个都被配置为处于第一状态，而所有剩余的可调滤波器被配置为处于第二状态，从而允许信号通过节点从可调滤波器的任一个发送到可调滤波器中的其他任一个。
附图说明
图1是体现本发明的超导微波开关/路由器的示意图。
图2是图1的超导微波开关/路由器的框图。
图3是显示了传输作为操作模式的超导微波开关/路由器的示意图。
图4是显示了反射作为操作模式的超导微波开关/路由器的示意图。
图5是体现本发明的超导微波开关/路由器的示意图。
图6是图5的超导微波开关/路由器的框图。
图7是体现本发明的超导微波开关/路由器的示意图。
图8是体现本发明的超导微波开关/路由器的示意图。
图9是体现本发明的N端口超导微波开关/路由器的示意图。
图10是体现本发明的配置超导微波开关/路由器的方法的流程图。
图11是体现本发明的配置超导微波开关/路由器的方法的流程图。
图12是体现本发明的配置超导微波开关/路由器的方法的流程图。
图13是体现本发明的配置超导微波开关/路由器的方法的流程图。
具体实施方式
这里参考相关附图描述了本发明的各种实施例。在不脱离本文件的范围的情况下，可以设计本发明的替代实施例。应注意，在以下描述和附图中的元件之间阐述了各种连接和位置关系(例如，上方、下方、相邻等)。除非另有说明，否则这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且不旨在限制这方面。因此，实体的耦合可以指直接或间接耦合，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接的位置关系。作为间接位置关系的示例，在层“B”上形成层“A”包括其中一个或多个中间层(例如，层“C”)在层“A”和层“B”之间的情况。只要层“A”和层“B”的相关特性和功能基本上不被中间层改变。
根据本发明的一个或多个实施例，超导(或无损耗)微波开关/路由器允许按需在电路的不同节点之间或在不同端口之间路由量子信号。超导微波开关可以在量子信息处理领域具有许多应用。例如，超导微波开关可用于时间复用读出、时间复用驱动(例如，交叉共振驱动)、若干设备的时间复用表征、量子系统对之间的时间复用相互作用、信号的时间相关循环等。
根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种可以具有一个输入端口和N个输出端口的超导微波开关。而且，超导微波开关可以具有一个输出端口和N个输入端口。超导微波设备的端口中的每一个设计成具有相同的特性阻抗Z0。在一个实现中，每个输入-输出对通过可调低通滤波器连接，其截止频率可以使用所施加的磁通量原位调谐。可调低通滤波器可以使用梯形串联电感元件(例如，直流(DC)超导量子干涉装置(SQUID))和并联电容元件(例如，集总元件电容器)来实现。在另一个实现中，每个输入-输出对通过可调高通滤波器连接，其截止频率可以使用所施加的磁通量原位调谐，并且可调高通滤波器可以使用串联电容元件(例如，集总元件电容器)和并联电感元件(例如，DC-SQUID)来实现。
现在转向图，图1是根据本发明的一个或多个实施例的超导微波开关/路由器100的示意图。图1示出了基于可调滤波器20的超导微波开关/路由器100的构建块。在该示例中，可调滤波器20是可调低通滤波器(TLPF)。然而应该理解，本发明的实施例不限于如下进一步讨论的低通滤波器。
在该示例中，微波开关/路由器100包括端口10，例如端口1和2。端口10是输入和输出端口。可调滤波器20包括一个或多个单元电池60。每个单元电池60包括被指定为可变电感元件L1(其他示例包括下面进一步讨论的L2、L3和DC-SQUID)的可变电感40，每个单元电路(unit cell)60包括被指定为电容元件C的电容50。在每个单元电路60中，可变电感L1 40串联连接端口10，并且电容50连接可变电感40的一端以及接地。对于N个单元电路，可调滤波器20中可以有N个单元电路60重复并(串联)连接在一起。对于N个单元电路，电感L1 40串联连接，每个电感L1 40通过其相应的电容50分流到地。端口10、可变电感L1 40和电容C 50通过传输线30互连。传输线100用作超导线或波导，以将微波信号从端口1经由可调滤波器20传送到端口2，或反之亦然。同轴电缆可以连接到端口10的外端，使得一根同轴电缆输入微波信号而另一根同轴电缆输出微波信号。传输线30可以是带状线、微带等。可变电感40、电容50和传输线30由超导材料制成。超导材料的示例(在例如约10-100毫开尔文(mK)，或约4K的低温下)包括铌、铝、钽等。
图2是根据本发明的一个或多个实施例的图1的超导微波开关/路由器100的框图。图2是没有描绘可调滤波器20的内部细节的图1等效的电路。
可以假设要通过超导微波开关/路由器100传输的微波信号具有中心角频率ω0。阻抗指定Z0是端口1和2处的特征阻抗(可以是输入和输出端口，反之亦然)。例如，特征阻抗Z0在每个端口处可以是50欧姆(Ω)。
对于单个单元电路60，阻抗为Z1，其中其中单元电路60的角频率ω1是表示为ωc的可调滤波器20的截止角频率在单元电路60(或多个单元电路加总)的角共振频率ω1的量级上并且与ω1相关，意味着ωC随ω1的增加和减少而增加和减少。ωC随ω1以及单元电路N的确切的依赖性可以通过微波模拟或计算得到。由此得出截止频率可调滤波器20的ωC依赖于(用于所述一个或多个单元电路60的)可变电感L1 40和电容C 50的值。特别地，可变电感L1 40的电感控制可调滤波器20的截止频率ωC，从而控制可调滤波器20相对于微波信号(中心角频率ω0)何时操作于传输以及何时操作于反射。可变电感L1 40的电感与截止频率ωC具有反比关系。例如，当可变电感L1 40的电感增加时，可调滤波器20的截止频率ωC减小。相反，当可变电感L1 40的电感减小时，可调滤波器20的截止频率ωC增加。应注意，改变单元电路的电感不仅改变滤波器的截止频率，而且改变其特征阻抗。因此，当开关闭合，即在传输模式下操作时，可能希望Z1或滤波器的特征阻抗尽可能地匹配端口的特征阻抗。
因此，当作为闭合开关操作时，通过减小可调滤波器20中的可变电感器L1 40的电感控制超导微波开关/路由器100处于传输，以便从端口1到端口2(或反之亦然)传递微波信号(中心角频率ω0)。这允许微波信号(中心角频率ω0)落入可调滤波器20的低通带内。当作为开启开关操作时，通过增加可调滤波器20中的可变电感器L1 40的电感控制超导微波开关/路由器100处于反射，以阻挡微波信号(中心角频率ω0)从端口1到端口2(或反之亦然)的传输。这允许微波信号(中心角频率ω0)落在低通带之外，因此被衰减或换句话说被反射。
图3是根据本发明的一个或多个实施例的、显示了传输作为操作模式的超导微波开关/路由器的示意图。在图3中，可调滤波器20被调谐使得通过设备端口的输入微波信号305的中心角频率ω0小于可调滤波器20的截止频率ωC，即，ω0＜ωC。在这种操作模式中，可调滤波器20被配置为操作于传输，因为微波信号305的频率小于可调低通滤波器20的截止频率。在这种情况下，微波信号305从端口1通过可调滤波器20传输到端口2，从而根据需要输出微波信号305。
图4是根据本发明的一个或多个实施例的、显示了反射作为操作模式的超导微波开关/路由器100的示意图。在图4中，可调滤波器20被调谐使得使得微波信号305的中心角频率ω0大于可调滤波器20的截止频率ωC，即，ω0＞ωC。在这种操作模式中，可调滤波器20被配置为操作于反射，因为微波信号305的频率大于可调低通滤波器20的截止频率。在这种情况下，当微波信号305通过端口1进入，由于可调滤波器反射微波信号305，微波信号305被阻止传递到端口2，从而不允许微波信号305从端口1传递到端口2。
图5是根据本发明的一个或多个实施例的、超导微波开关/路由器100的示意图。图6是图5的超导微波开关/路由器的框图。图6是没有描绘可调滤波器20的内部细节的图5等效的电路。图5和图6类似于图1和图2，除了图5和图6扩展到3个端口而不是2个端口。应当理解，超导微波开关/路由器100可以根据需要扩展到N个端口。
在图5和图6中描绘的配置中，有两个可调滤波器20。一个可调滤波器20连接在端口1和端口2之间，而另一个可调滤波器20连接在端口1和端口3之间。每个可调滤波器20由一个或多个如上所述的单元电路60。出于解释的目的，一个或多个可变电感40在连接在端口1和端口2之间的可调滤波器20中被标识为L2，而一个或多个可变电感器40在连接在端口1和端口3之间的可调滤波器20中被标识为L3。分别控制端口1和端口2之间的可调滤波器20和端口1和端口3之间的可调滤波器20，使得一个可以以传输操作而另一个以反射操作。
端口1和端口2之间的可调滤波器20包括一个或多个单元电路60。每个单元电路60包括可变电感L2 40和电容50。在每个单元电路60中，可变电感L2 40与端口1和端口2串联连接，电容C 50与可变电感40的一端连接并接地。对于在端口1和端口2之间的N个单元电路，可调滤波器20中可以有N个单元电路60重复并连接在一起。对于端口1和端口2之间的可调滤波器20，每个单元电路的阻抗是Z2，其中并且角频率是ω2，其中
类似地，连接在端口1和端口3之间的可调滤波器20包括一个或多个单元电路60。每个单元电路60包括可变电感L3 40和电容50。在每个单元电路60中，可变电感L3 40与端口1和端口3串联连接，电容C 50与可变电感L3 40的一端连接并接地。对于在端口1和端口3之间的N个单元电路，可调滤波器20中可以有N个单元电路60重复并连接在一起。对于端口1和端口3之间的可调滤波器20，每个单元电路的阻抗是Z3，其中并且角频率是ω3，其中
应当理解，可以根据需要类似地添加额外的端口和可调滤波器。
在图2中，单个可调滤波器20的截止频率被指定为以上的ωc。因为在图5和6中提供了不止一个可调滤波器20，连接在端口1和端口2之间的可调滤波器20被指定为截止频率ωC2而连接在端口1和端口3之间的可调滤波器20被指定为截止频率ωC3。
对于从端口1到端口2或在端口1和端口2之间(或反之亦然)的传输中微波信号305的操作，调谐端口1和端口2之间的可调滤波器20使得微波信号305的中心角频率ω0小于端口1和端口2之间的可调滤波器的20的截止频率ωC2，而调谐端口1和端口3之间的可调滤波器20使得微波信号305的中心角频率ω0远大于端口1和端口3之间的可调滤波器的20的截止频率ωC3：ωC3＜＜ω0＜ωc2。在这种操作模式中，端口1和端口2之间的可调滤波器20被配置为以传输操作，因为微波信号305(ω0)小于截止频率ωC2，因此微波信号305从端口1通过可调滤波器20传输到端口2，从而根据需要输出微波信号305。同时，连接在端口1和端口3之间的可调滤波器20被配置为以反射操作，因为微波信号305(ω0)大于截止频率ωC3，因此阻止微波信号305在端口1和端口3之间通过。从端口1到端口2(或反之亦然)的传输的附加条件包括用于阻抗匹配。从端口1到端口3或在端口1和端口3之间的反射的附加条件包括Z3＞＞Z0。
另一方面，对于从端口1到端口3或在端口1和端口3之间(或反之亦然)的传输中微波信号305的操作，调谐端口1和端口3之间的可调滤波器20使得微波信号305的中心角频率ω0小于端口1和端口3之间的可调滤波器20的截止频率ωC3，而调谐端口1和端口2之间的可调滤波器20使得微波信号305的中心角频率ω0远大于端口1和端口2之间的可调滤波器20截止频率ωC2：ωC2＜＜ω0＜ωc3。在这种操作模式中，端口1和端口3之间的可调滤波器20被配置为以传输操作，因为微波信号305(ω0)小于截止频率ωc3，因此微波信号305从端口1通过可调滤波器20传输到端口3，从而根据需要输出微波信号305。同时，连接在端口1和端口2之间的可调滤波器20被配置为以反射操作，因为微波信号305(ω0)大于截止频率ωc2，因此在该示例中阻止微波信号305在端口1和端口2之间通过。从端口1到端口3(或反之亦然)的传输的附加条件包括用于阻抗匹配。从端口1到端口2或在端口1和端口2之间的反射的附加条件包括Z2＞＞Z0。
图7是根据本发明的一个或多个实施例的超导微波开关/路由器100的示意图。图7类似于图5和图6，除了图7实现了利用直流(DC)超导量子干涉装置(SQUID)的无损/超导微波开关/路由器100。在图7中，每个(如上所述的)可变电感40在可调滤波器20中实现为(可变)DC-SQUID 705。应注意，图7的可调滤波器20被配置为相对于每个可调滤波器20以传输和反射操作，如上所述。而且应该理解，超导微波开关/路由器100可以根据需要扩展到N个端口。
在图7中描绘的配置中，示出了两个可调滤波器20和三个端口10，尽管可以类似地添加更多端口10和可调滤波器20。一个可调滤波器20连接在端口1和端口2之间，而另一个可调滤波器20连接在端口1和端口3之间。每个可调滤波器20由一个或多个单元电路60形成，如本文所述。
对于连接在端口1和端口2之间的可调滤波器20，每个单元电路60包括一个或多个DC-SQUID 705_2。在单元电路60中，电容C 50将一个或多个DC-SQUID 705_2连接/分流到地。当在单元电路60中使用多于一个DC-SQUID 705_2时，DC-SQUID 705_2串联连接在一起。每个单元电路可以有总共M个DC-SQUID 705_2，其中M是1或更大的整数。端口1和端口2之间的可调滤波器20包括一个或多个单元电路60，使得每个单元电路60与端口1和端口2串联连接，电容器C 50连接到DC-SQUID 705_2的一端并且接地。对于端口1和端口2之间总数为N个单元电路，可调滤波器20中可以有N个单元电路60重复并串联连接在一起，其中N是1或更大的整数。对于端口1和端口2之间的可调滤波器20，每个单元电路的阻抗为Z2，其中 并且角频率是ω2，其中注意，每个DC-SQUID 705_2具有标记为的L2电感和/或电感元件。
对于连接在端口1和端口3之间的可调滤波器20，每个单元电路60包括一个或多个DC-SQUID 705_3。在单元电路60中，电容C 50将一个或多个DC-SQUID 705_3连接/分流到地。当在单元电路60中使用多于一个DC-SQUID 705_3时，DC-SQUID 705_3串联连接在一起。
每个单元电路可以有总共M个DC-SQUID 705_3，其中M是1或更大的整数。端口1和端口3之间的可调滤波器20包括一个或多个单元电路60，使得每个单元电路60与端口1和端口3串联连接，电容器C 50连接到DC-SQUID 705_3的一端并且接地。对于端口1和端口3之间总数为N个单元电路，可调滤波器20中可以有N个单元电路60重复并连接在一起，其中N是1或更大的整数。对于端口1和端口3之间的可调滤波器20，每个单元电路的阻抗为Z3，其中 并且角频率是ω3，其中注意，每个DC-SQUID 705_3具有标记为的L3电感和/或电感元件。
现在，下面提供关于DC-SQUID的进一步信息。SQUID(超导量子干涉装置)是本领域技术人员公知的一种超导电子装置。特别地，被称为DC-SQUID的SQUID的类型包括由超导线、超导薄膜金属或其他超导材料形成的环，由两个或更多个约瑟夫森结(JosephsonJunction)710中断。SQUID包含载流环中的两个或更多个约瑟夫森结710。如本领域技术人员所广泛理解的，通过超导电流的量子干涉原理，SQUID内的约瑟夫森结的约瑟夫森临界电流将根据穿过SQUID环的磁通量而变化。同样，SQUID的约瑟夫森结所显示的约瑟夫森电感也会根据这样的磁通量(即对于每个DC-SQUID 705_2的磁通量Φ2和对于每个DC-SQUID705_3的磁通量Φ3)而变化。此外，SQUID阵列可以以这样的方式布置在电路中以便组合它们的电感。规定了平面内环的磁通量代表一个众所周知且定义明确的数量，包括环内的磁场，乘以磁场与垂直于环的轴线所产生的角度的余弦，整合在整个环区域。因此，SQUID对其附近的磁场的大小和方向都高度敏感(例如，磁通线730_2产生磁场从而对于每个DC-SQUID705_2产生磁通量Φ2，磁通线730_3产生磁场从而对于每个DC-SQUID 705_3产生磁通量Φ3)。DC-SQUID 705_2和705_3分别经历由磁通线730_2和磁通线730_3产生的磁通量Φ2和磁通量Φ3，因而其约瑟夫森电感(DC-SQUID 705_2的约瑟夫森电感指定为LJ2，DC-SQUID705_3的约瑟夫森电感指定为LJ3)改变。对于本领域技术人员来说，这种对磁场的敏感性使得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引起电路特性的有用变化。DC-SQUID 705_2和705_3的电感L2和L3分别对应于DC-SQUID 705_2和705_3的约瑟夫森电感LJ2和LJ3。为了独立地改变/控制(增加或减少)DC-SQUID 705_2和705_3的电感L2和L3，提供了磁通线730_2和730_3。磁通线通常可以称为磁通线730。磁通线730_2和730_3独立地施加垂直于相应DC-SQUID 705_2和705_3的SQUID环的磁“偏置”场，以便设置SQUID的'工作点'。磁通线730_2具有电流I2，产生磁场以产生磁偏置通量Φ2根据需要改变。类似地，磁通线730_3具有电流I3，产生磁场以产生磁偏置通量Φ3根据需要改变。因此，分别在端口1和端口2之间以及端口1和端口3之间的可调滤波器20被单独控制，使得一个可以以传输操作而另一个以反射操作。
端口1和端口2之间的可调滤波器20的电感L2(每单元电路60)可以定义为其中M是单元电路中DC-SQUID 705_2的数量，其中LJ2是DC-SQUID的约瑟夫森结电感，并且Ls是每个单元电路的传输线30(线)的串联电感。每个单元电路60的电感L2主要部分基于约瑟夫森结电感LJ2。因此，约瑟夫森结电感LJ2定义如下(没有传输线30(线)的串联电感LS)：约瑟夫森结电感其中LJ0＝Φ0/4πI0，其中I0是每个约瑟夫森结710的临界电流，其中Φ2是穿过环的磁通偏置，(超导磁通量子)，其中h是普朗克常数，e是电子电荷。
类似地，端口1和端口3之间的可调滤波器20的电感L3(每单元电路60)可以定义为其中M是单元电路中DC-SQUID705_3的数量，其中LJ3是约瑟夫森结电感，并且Ls是每个单元电路的传输线30(线)的串联电感。每个单元电路60的电感L3主要部分基于约瑟夫森结电感LJ3。因此，约瑟夫森结电感LJ3定义如下(没有传输线30(线)串联电感)：约瑟夫森结电感其中LJ0＝Φ0/4πI0，其中I0是(两个)约瑟夫森结710的临界电流，其中Φ3是穿过环的磁通偏置，(超导磁通量子)，其中h是普朗克常数，e是电子电荷。在该分析中，实验者假设DC-SQUID具有小的环，并且与DC-SQUID的约瑟夫森电感相比，DC-SQUID环的自感可忽略不计。
值得注意的是，电感L2是端口1和端口2之间的可调滤波器20中与传输线串联连接的N个单元电路(N≥1)中一个单元电路60的电感，类似的，电感L3是端口1和端口3之间的可调滤波器20中与传输线串联连接的N个单元电路(N≥1)中一个单元电路60的电感本领域技术人员应该理解，这里讨论的可调滤波器设计就每个单元电路中的电感和电容元件来说不限于相同的电路元件。这里主要呈现相同的单元图像是为了简单和易于理解。实际上，基于微波滤波器理论改变单元电路可能是有利的，并且就滤波响应中的波纹的最大幅度、滤波平坦度、滤波器带宽、带内和带外反射量、阻带中的衰减量等得到更好的性能。因此，应当理解，在一个或多个实施例中，单元电路可以相同或不同，以采用上述任何或多个优点。
如应当认识到的，超导微波开关/路由器100在一个配置中可具有一个输入端口和N个输出端口，和/或在另一配置中具有一个输出端口和N个输入端口。设备的所有端口10具有相同的特征阻抗Z0。每个输入-输出对通过截止频率可以在原位利用施加磁通量调谐的可调低通滤波器相连接。可调低通滤波器20可以使用梯形电感元件(DC-SQUID)和电容元件(集总元件电容器)来实现。
通过控制分别施加到磁通线730_2和730_3的DC电流I2和I3，可以独立地设置确定每个链中的电感L2和L3的磁偏置通量Φ2和Φ3。这反过来调整两个可调滤波器20的相对于(微波信号305的)ω0的截止角频率ωC2和ωC3，使得(端口1和端口2之间的)一个路径处于传输而(端口1和端口3之间的)另一个路径处于反射。反之亦然。
为了对于任一个(端口1和端口2或端口1和端口3之间的)可调滤波器20以反射操作(即，阻断微波信号305)，一个增加DC电流I2，I3以(在余弦的1个周期内)增加磁偏置通量Φ2和Φ3，然后增加电感L2，L3，从而降低截止角频率ωC2和ωC3。相反，为了对于任一个(端口1和端口2或端口1和端口3之间的)可调滤波器20以传输操作，在可调滤波器20(端口1和2之间或端口3和4之间)的传输(即，传递微波信号305)，一个增加DC电流I2，I3以(在余弦的1个周期内)减小磁偏置通量Φ2和Φ3，然后减小电感L2，L3，从而增加截止角频率ωC2和ωC3。
DC-SQUID 705、电容50(电容中介电材料除外)、磁通线730、传输线30，以及约瑟夫森结710由超导材料制成。同样，超导材料的例子(在例如约10-100毫开尔文(mK)，或约4K的低温下)包括铌，铝，钽等。约瑟夫森结是由两个超导金属夹着例如氧化铝、氧化铌等薄绝缘体形成的非线性元件。
图8是根据本发明的一个或多个实施例的超导微波开关/路由器100的示意图。图8类似于图1至图7，除了在该实现中，可调滤波器20是可调高通滤波器。通过将高通滤波器用作可调滤波器20，电感元件40、705与电容元件50互换。因此，电容元件50在端口1和端口2之间以及端口1和端口3之间串联，而电感元件40、705(电感或DC-SQUID)连接到电容元件50的一端然后接地。对于从端口1到端口2的传输(反之亦然)，以下条件适用ωc2＜ω0＜＜ωc3。对于从端口1到端口3的传输(反之亦然)，以下条件适用ωc3＜ω0＜＜ωc2。
现在转向图9。图9是根据本发明的一个或多个实施例的N端口超导微波路由器100的示意图。N端口超导微波路由器100被概括/设计成使得可以使用到相关磁通线的电流脉冲在运行中在任何一对端口10之间建立连接，相关磁通线又将相关滤波器磁通偏置到它们适当的通量偏置点。例如，在微波信号305到达端口10的那一刻(或接近此刻)，可以在任何一对端口10之间进行连接以传输微波信号305，而在所有其他端口10(通过它们各自的可调滤波器)阻挡微波信号305。因此，根据这里讨论的原理，微波信号305可以(在运行中)在任何一对端口10之间被路由。
N端口超导微波路由器100包括端口1、端口I、端口J，直到端口N。端口1-N的每个具有自己的可调低通滤波器20，以使得单独的端口10连接到与节点905连接的可调滤波器20。上面在图1-8中描述的特征适用于图9。为了简洁起见并且为了避免模糊，不再重复图9。所有端口1-N是对称的并且位于相同的基础上(这与上述先前描述的超导微波开关/路由器100不同)。处于相同的基础意味着节点905是连接所有端口1-N的中央连接，每个端口10具有自己的可调滤波器20，并且每个可调滤波器20具有调整其截止频率的自己的磁通线(FL)。
作为一个示例，为了将微波信号305从端口N路由到端口I，端口N和节点905之间以及端口I和节点905之间可调滤波器20必须被调谐处于传输，同时，所有剩余的可调滤波器20被调谐处于反射。这允许微波信号305从端口N传输到其可调滤波器20，然后到节点905、连接到端口I的可调滤波器20，然后传输到端口I。
讨论关于节点905的一些技术细节。通常，节点905应尽可能小并且理想地相对于设备操作中使用的波长集中，原因有两个：1)最小化反射，这可以限制路由信号的传输，以及2)启用到节点905连接的多条传输线。此外，将多条传输线连接到公共节点905的能力可能需要使用高阻抗(非常窄)的导线，在一个实现方式中，这反过来可能要求设计可调滤波器在滤波器以传输操作(以最小化反射)时具有与连接线的阻抗匹配的特性阻抗。最后，如果可调滤波器的特征阻抗不同于设备端口的特征阻抗，则可以在滤波器和设备之间设计和集成某些匹配网络(以便允许传播信号的平滑传输)。
图10是根据本发明的一个或多个实施例的配置无损/超导微波开关/路由器100的方法的流程图1000。这里可以参考图1-9。
在框1005，提供多个端口10。在框1010，提供可调滤波器20并将其连接到端口10，使得多个端口10中的每一个具有相应的一个可调滤波器20。
可调滤波器20连接到节点905(导电连接点)。提供多个磁通线(FL)730，使得多个磁通线730一对一地调谐可调滤波器20。提供多个磁源(诸如磁通线、载流导线、可调磁体等)，使得多个磁源一对一地调谐可调滤波器20。应该注意，这种磁通线一对一地控制可调滤波器是简单的，因为DC-SQUID的响应/电感由穿过它的环的总磁通量决定，因此其他磁通线的电流的任何变化原则上都可以改变DC-SQUID所经历的磁通偏置。当然，其他磁通线的感应通量随它们与DC-SQUID之间的距离而显着下降，因此通过使它们保持充分分开，实验者可以显着降低它们的贡献。然而，可能存在一个或多个场景，为了调谐一个滤波器的磁通偏置，可以对在附近磁通线中流动的电流进行多次改变，使得电流在各种受控滤波器中产生期望的磁通偏置。可以对在附近磁通线中流动的电流进行多次改变，使得电流在各种受控滤波器中产生所需的磁通偏置。可以对在附近磁通线中流动的电流进行多次改变，使得电流在各种受控滤波器中产生所需的磁通偏置。
可调滤波器20包括超导材料。示例超导材料可包括超导温度(例如10-100毫开尔文(mK)，或4K)的铌，铝，钽等。
可调滤波器20可以是可调无损低通滤波器。多个端口10的任一个(例如，端口1)被配置为将微波信号305发送到多个端口10(端口2)的其他任一个。用于多个端口10的任一个对应的可调滤波器20和用于多个端口10的其他任一个对应的可调滤波器20都被配置为被调谐以发送(即，传输)信号305，而所有其他可调滤波器20被配置为被调谐以阻止信号。每个无损低通滤波器包括一个或多个DC-SQUID，与传输线的中心导体串联并且被电容分流到地。应该理解，例如同轴电缆的传输线具有中心导体和外导体。
图11是根据本发明的一个或多个实施例的配置无损/超导微波开关/路由器100的方法的流程图1100。这里可以参考图1-9。
在框1105，提供多个端口10。在框1110，多个可调滤波器20连接到多个端口10，其中多个端口10的每一个与多个可调滤波器20的一个相关联，其中多个可调滤波器20的每一个包括超导量子干涉装置705。可调滤波器20可以是低通滤波器。可调滤波器20可以是高通滤波器。
图12是根据一个或多个实施例的配置无损/超导微波开关/路由器100的方法的流程图1200。这里可以参考图1-9。
在框1205，提供节点905作为中心连接点。在框1210，多个可调滤波器20连接到节点905，其中可调滤波器20被配置为独立地调谐到第一状态(即，用于传输的操作模式)以发送微波信号305并且被独立地调谐到用于阻挡微波信号305的第二状态(即，用于反射的操作模式)，使得多个可调滤波器20的任一个被配置为经由节点905将信号发送到多个可调滤波器20的其他任一个。
多个可调滤波器20的任一个以及多个可调滤波器20的其他任一个都被配置为处于第一状态，而所有剩余的可调滤波器20都被配置成处于第二状态，从而允许微波信号305通过节点905从可调滤波器20中的上述任一个发送到多个可调滤波器20中的上述其他任一个。
图13是根据本发明的一个或多个实施例的配置无损/超导微波开关/路由器100的方法的流程图1300。这里可以参考图1-9。
在块1305中，提供多个端口10。在框1310，多个端口10的第一对具有连接在其间的至少一个可调滤波器20，其中可调滤波器20被配置为发送微波信号305。在框1315，多个端口10的第二对具有连接在其间的另一个可调滤波器20，其中另一个可调滤波器20被配置为反射微波信号。
技术效果和益处包括无损/超导微波开关/路由器。技术优势还包括传输信号的低衰减(<0.05dB(分贝))、例如以纳秒为单位(取决于磁通线和SQUID之间的互感)的快速切换(无谐振器)以及相对较大(通过允许单位电路中的某些变化可以显著增强)的带宽(>280兆赫(MHz))。此外，技术益处还包括相对大的开/关比(>20dB)。无损/超导微波开关/路由器可以通过添加更多SQUID并增加其临界电流来容忍>-80dBm(其中0dBm对应于1毫瓦)的相对大的功率。无损/超导微波开关/路由器可以用Nb约瑟夫森结制造以工作在4K，可以设计用于任何频率范围，并提供可以容易地扩展到1个输入N输出(反之亦然)的可扩展的方案。
术语“约”及其变体意在包括与基于可用在提交申请时的设备的特定数量的测量相关的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或5％，或2％的范围。
在本文中参照描述了本发明的各方面根据本发明的实施例的流程图和/或设备(系统)的方法的框图和计算机程序产品。将理解，流程图图示和/或框图的每个框以及流程图图示和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令实现
附图中的流程图和框图显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体系结构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，块中提到的功能可以不按照附图中提到的顺序发生。例如，连续示出的两个方框实际上可以基本上同时执行，或者这些方框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。
本发明的各种实施例的描述是为了说明的目的，但并不意在穷举或限制于本文描述的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择这里使用的术语是为了最好地解释实施例的原理，实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者使本领域其他技术人员能够理解本文所述的实施例。
Claims (17)
1.一种无损微波开关，包括：
多个端口；和
多个可调滤波器，其中多个端口的每一个可操作地耦合到相应的一个可调滤波器；
其中可调滤波器是无损低通滤波器。
2.如权利要求1所述的无损微波开关，其中可调滤波器连接到节点。
3.如权利要求1所述的无损微波开关，进一步包括多个磁通线；其中多个磁通线一对一地调谐可调滤波器；或
多个磁通线的一个或多个有助于调谐可调滤波器中的一个。
4.如权利要求1所述的无损微波开关，进一步包括多个磁源，使得多个磁源一对一地调谐可调滤波器。
5.如权利要求1所述的无损微波开关，其中可调滤波器包括超导材料。
6.如权利要求1所述的无损微波开关，其中无损微波开关的每一个包括一个或多个超导量子干涉装置(DC-SQUID)，与传输线的中心导体串联并且被电容分流到地。
7.如权利要求1所述的无损微波开关，其中可调滤波器是无损高通滤波器。
8.如权利要求7所述的无损微波开关，其中无损高通滤波器的每一个包括由一个或多个超导量子干涉装置(DC-SQUID)分流的电容。
9.如权利要求1所述的无损微波开关，其中多个端口的任一个被配置为将信号发送到多个端口的其他任一个。
10.如权利要求9所述的无损微波开关，其中用于多个端口的任一个的对应的可调滤波器和用于多个端口的其他任一个的对应的可调滤波器都被配置为被调谐以发送信号，而所有其他可调滤波器都被配置为被调谐以阻止信号。
11.一种配置无损微波开关的方法，包括：
提供多个端口；以及
提供多个可调滤波器，使得多个端口的每一个可操作地耦合到相应的一个可调滤波器；
其中可调滤波器是无损低通滤波器。
12.如权利要求11所述的方法，其中可调滤波器连接到节点。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括提供多个磁通线；
其中多个磁通线一对一地调谐可调滤波器；或
多个磁通线的一个或多个有助于调谐可调滤波器中的一个。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括提供多个磁源，使得多个磁源一对一地调谐可调滤波器。
15.如权利要求11所述的方法，其中可调滤波器包括超导材料。
16.如权利要求11所述的方法，其中多个端口的任一个被配置为将信号发送到多个端口的其他任一个。
17.如权利要求11所述的方法，其中用于多个端口的任一个的对应的可调滤波器和用于多个端口的其他任一个的对应的可调滤波器都被配置为被调谐以发送信号，而所有其他可调滤波器都被配置为被调谐以阻止信号。
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