CN109661748A - 使用频分复用的用于量子信号的微波组合器和分配器 - Google Patents

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Abstract

一种涉及超导微波组合器的技术。第一滤波器至最后一个滤波器分别连接到第一输入至最后一个输入。第一滤波器至最后一个滤波器的的每一个分别具有第一通带至最后一个通带，使得第一通带至最后一个通带各自不同。公共输出经由第一滤波器至最后一个滤波器连接到第一输入至最后一个输入。

Description

使用频分复用的用于量子信号的微波组合器和分配器
背景技术
本发明涉及超导电子设备，更具体地，涉及使用频分复用的用于量子信号的微波组合器和分配器。
在电信中，频分复用是一种技术，通过该技术，通信介质中可用的总带宽被分成一系列非重叠频率子带，每个子带用于承载单独的信号。这允许诸如空气、电缆或光纤的单个传输介质由多个独立信号共享。
在物理学和计算机科学中，量子信息是在量子系统的状态下保持的信息。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。很像古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，并用计算机科学的数学分析，类似的概念也适用于量子信息。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，提供了如权利要求1所述的超导微波组合器。
本发明还提供了如权利要求8所述的配置超导微波组合器的方法。
本发明还提供了如权利要求15所述的超导微波分配器。
本发明还提供了如权利要求22所述的配置超导微波分配器的方法。
根据一个或多个实施例，提供了一种超导系统。超导系统包括第一量子系统至最后一个量子系统，以及第一滤波器至最后一个滤波器。第一滤波器至最后一个滤波器分别连接到第一量子系统至最后一个量子系统。第一滤波器至最后一个滤波器分别具有第一通带至最后一个通带，使得第一通带至最后一个通带各自不同。超导系统包括经由第一滤波器至最后一个滤波器连接到第一量子系统至最后一个量子系统的公共输出。
附图说明
图1是描绘根据一个或多个实施例的用于量子信号的微波组合器的设备的示意图。
图2是描绘根据一个或多个实施例的用于量子信号的微波分配器的设备的示意图。
图3是描绘根据一个或多个实施例的量子系统应用中使用的设备的系统。
图4示出了根据一个或多个实施例的作为功率组合器的级联树的设备。
图5是描绘根据一个或多个实施例的用于量子信号的微波组合器的设备的示意图。
图6是根据一个或多个实施例的配置超导微波组合器设备的方法的流程图。
图7是根据一个或多个实施例的配置超导微波分配器设备的方法的流程图。
具体实施方式
这里参考相关附图描述了各种实施例。在不脱离本文件的范围的情况下，可以设计替代实施例。注意，在以下描述和附图中，在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”的提及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。
采用微波信号组合器以便在微波域中组合量子信号，代价是端口之间的阻抗不匹配(这将导致反射)、(某些)端口之间的隔离差和/或由于量子信号的衰减导致量子信息的丢失。量子信息的丢失可能是由于功率组合器的内部损耗或由于到其他端口的泄漏。量子信息的这种损失可导致测量的信噪比显着降低。
此外，在基于超导量子位的可扩展量子处理器架构中，重要的是最小化进入稀释冰箱的输入和输出线的数量。在输出侧实现这一点的一种方法是，例如，通过使用混合或商用功率组合器在同一输出线上组合多个量子位的多个读出信号。随后，宽带量子限制放大器可用于在多个读出信号向上传播到输出链之前放大多个读出信号。然而，使用这种混合或功率组合器在放大器之前衰减量子信号并导致量子信息的显着损失，因此限制了量子测量的效率。
另一种可能性是在多个量子限制放大器之后添加功率组合器，放大每个单独的信号。然而，该方案的缺点是向稀释冰箱添加了笨重的硬件(多个放大器)，这限制了方案的可扩展性。稀释冰箱是一种低温设备，可提供低至7mK温度的连续冷却而在低温区域没有活动部件。
以下是功率组合器或分配器的一些示例。
以下是T型功率组合器的特性：1)具有一个输入端口和两个输出端口的3端口设备、2)无损耗、3)倒数、4)输出端口之间没有隔离以及5)仅与输入匹配。
电阻分配器的特性包括以下：1)3端口设备、2)倒数、3)可以在所有端口匹配(无反射)、4)有损以及5)输出端口之间没有隔离。
混合的特性(90°和180°混合)包括以下：1)具有两个输入端口和两个输出端口的4端口设备、2)倒数、3)可以在所有端口匹配(无反射)、4)两个输入端口之间以及两个输出端口之间的良好隔离。如果混合用作功率组合器，则功率在两个输出端口之间平均分配，使得一半信息丢失。
以下是威尔金森功率分配器/组合器的特征：1)具有一个输入端口和两个输出端口的3端口设备(可以推广到N路设备)、2)在所有端口处匹配(无反射)、3)两个输出端口之间的隔离、4)当组合输出端口上输入的信号时有损耗，因为只有一半的信号功率出现在输入端，而另一半则消耗掉。
一个或多个实施例解决与使用少量输入和输出线(从而提供可扩展性)的复用多个量子位谐振器系统的驱动和读出相关的问题，不会导致量子信息的丢失(无损)并且不允许在不同的量子位谐振器系统之间泄漏信号(输入端口之间的隔离和/或输出端口之间的隔离)。实施例包括基于微波信号(驱动信号和读出信号)的频率分离微波信号的一个或多个方法和设备，从而允许这些方法和设备复用多个量子位的读出和驱动而不衰减驱动器/读出中使用的微波信号。而且，为这些设备在不同端口之间提供隔离。
根据一个或多个实施例，该设备可以是用于量子信号的多端口片上超导微波组合器和/或分配器。微波组合器和分配器是无损的，它们的端口与输入/输出环境相匹配。超导微波组合器和/或分配器可用于可扩展量子处理架构，例如用于量子位驱动和读出。
在一个或多个实施例中，微波组合器和分配器配置在同一设备中。输入信号的方向确定设备是作为微波组合器还是分配器运行。
图1是描绘根据一个或多个实施例的用于量子信号的微波组合器的设备的示意图。设备100被配置为利用频分复用将不同微波信号分配到单个输出传输线的不同频率上。
设备100包括通常称为带通滤波器105的带通微波滤波器。不同的带通滤波器105被描绘为带通滤波器105_1至带通滤波器105_N。每个带通滤波器105具有不同的窄通带，具有特定窄通带中的频率的微波信号通过该窄通带传送(即，通过)，并且具有特定窄通带之外的频率的信号被反射(即，被阻挡)。带通滤波器105_1具有自己的具有带宽1(BW1)的窄通带，带通滤波器105_2具有自己的具有带宽2(BW2)的窄通带，并且带通滤波器105_N具有自己的具有带宽N(BWN)的窄通带。
例如，带通滤波器105_1配置具有通带(频带)，允许具有频率f1的微波信号150_1通过(发送)但阻挡(反射)位于带通滤波器105_1的通带之外的具有频率f2到fN的所有其他微波信号150_2到150_N。类似地，带通滤波器105_2配置具有通带(频带)，允许具有频率f2的微波信号150_2通过(发送)但阻挡(反射)在带通滤波器105_2的通带之外的具有频率f1、f3至fN的所有其他微波信号150_1、150_3至150_N。类似地，带通滤波器105_N配置具有通带(频带)，允许具有频率fN的微波信号150_N通过(发送)但阻挡(反射)位于带通滤波器105_N的通带之外的具有频率f1至fN-1的所有其他微波信号150_1至150_N-1。微波信号150_1至150_N通常被称为微波信号150。当腔量子位量子系统可操作地连接到设备100时，微波信号150可以处于被指定为驱动特定量子位或被指定为(通过读出谐振器或腔)读出量子位的各个频率f1至fN，如本领域技术人员所理解的。
作为示例，一个带通滤波器105可以具有1兆赫(MHz)的通带，另一个带通滤波器105可以具有10MHz的通带，而另一个带通滤波器105可以具有100MHz的通带，等等。
设备100包括独立连接到各个带通滤波器105的端口110。特别地，不同的端口110被指定为端口1、端口2到端口N，其中端口N表示端口110的最后一个。类似地，N表示频率、微波信号150、带通滤波器105、量子系统305(在下面的图3中讨论)等等的最后一个。在设备100中，端口1连接到带通滤波器105_1，端口2连接到带通滤波器105_2，端口N连接到带通滤波器105_N。端口1至端口N的每一个分别连接到自己的带通滤波器105_1至105_N的一端。带通滤波器105_1至带通滤波器105_N的另一端经由公共节点115连接到公共端口120。公共节点115可以是公共连接点、公共传输线、公共线等，作为电气连接的相互位置。公共端口120连接到带通滤波器105_1至带通滤波器105_N的每一个，而独立端口110(端口1-N)则只连接到它们各自的带通滤波器105_1至带通滤波器105_N。
因为带通滤波器105_1至105_N仅在相应的通带中发送相应的微波信号150_1至150_N，所以设备100被配置为使得每个带通滤波器105_1至带通滤波器105_N覆盖不同的频带(或子带)频率，使得(带通滤波器105的)通带都不重叠。因此，端口1、端口2至端口N的每一个由于连接到其相应的带通滤波器105_1至105_N而彼此隔离，使得微波信号150不会经由公共节点115通过任何一个端口110(无论进入还是离开)泄漏到另一个端口110中。因此，作为连接到自己的带通滤波器105的结果，每个端口110与其他端口110隔离，并且被设计成以预定义的频率(或在预定义的频带内)发送其自己的微波信号150。这样，带通滤波器105_1至105_N负责提供端口110(例如，端口1、端口2至端口N)之间的隔离。
各个端口110、带通滤波器105、公共节点115和公共端口120经由传输线30彼此连接。传输线30可以是带状线、微带等。微波带通滤波器105被设计用诸如超导电感器、超导间隙电容器和/或平板电容器、无源超导元件的无损或低损耗集总元件实现。超导元件包括集总元件电感器、间隙电容器和/或平板电容器(具有低损耗电介质)。带通滤波器的其他可能实现包括耦合线滤波器和/或电容耦合串联谐振器。
各个端口110、带通滤波器105、公共节点115、公共端口120和传输线30由超导材料制成。超导材料(在低温下，例如约10-100mK，或约4K)的例子包括铌、铝、钽等。
在作为微波组合器的设备100的一个实现中，同轴电缆可以连接到端口110和120的外端，使得连接到端口110的同轴电缆以不同的频率f1至fN输入微波信号150_1至150_N，而连接到公共端口120的另一同轴电缆输出组合的微波信号150_1至150_N。在微波组合器中，对于在其各自频率f1至fN的微波信号150_1至150_N的每一个，没有微波信号150通过任何其他(输入)端口110传输回来(即，端口隔离)，微波信号150_1至150_N的每一个穿过各自的带通滤波器105_1至105_N，穿过公共节点115并通过公共端口120离开。这样，微波组合器组合微波信号150_1至150_N并通过公共端口120输出它们。设备100配置有频率关系f1<f2<...<fN，其中每个频率f1，f2，...fN分别是带通滤波器105_1至105_N的中心频率。设备100被配置为满足不等式
其中i，j＝1,2，...N和j≠i。这种不等式要求每对带通滤波器的中心频率之间的频率间隔超过其平均带宽。换句话说，不等式确保没有带通滤波器具有重叠带宽(即，频率范围)。
端口1至端口N的每一个及其相应的传输线30(以及相应的带通滤波器105_1至105_N)被认为是不同的/单独的信道/输入，并且公共端口120是公共信道。因此，当作为功率组合器操作时，端口1至N的多个输入信道连接到公共端口120的(单个)公共信道。设备100被配置为双向的。如本文所述，相同的设备100可以用作微波功率组合器和微波信号分配器。
图2是描绘根据一个或多个实施例的用于量子信号的微波分配器的设备100的示意图。微波分配器设备100被配置为将在公共端口120上输入的微波信号150_1至150_N分配到各个端口1至N，其中微波信号150_1至150_N根据相应带通滤波器105_1至105_N的通带被定向/分配。
在作为微波分配器的设备100的一个实施方式中，同轴电缆可以连接到公共端口120的外端，使得连接到公共端口120的同轴电缆以不同的频率f1至fN输入微波信号150_1至150_N，而连接到输出端口110的其他同轴电缆输出各个微波信号150_1至150_N。在微波分配器中，对于在其各自的频率f1至fN的微波信号150_1至150_N的每一个，仅允许各个频率f1至fN穿过具有覆盖相应频率f1至fN的通带的各个带通滤波器105_1至105_N，因此穿过各个端口1至端口N。由于带通滤波器105_1至105_N的每一个没有重叠的通带，因此微波信号150_1至150_N的每一个具有预定义的自己的频率f1至fN，仅通过带通滤波器105_1至105_N中的一个。在自己的一个频率f1至fN的微波信号150通过公共端口120输入，并且微波信号150_1至150_N的每一个穿过公共节点115，通过各自的带通滤波器105_1至105_N发送，并根据频率f1到fN离开各个端口1-N。由于各个带通滤波器105_1至105_N的滤波，端口1-N的每一个(仅)输出各自的频率f1至fN。换句话说，端口1以频率f1输出微波信号150_1(通过带通滤波器105_1)，而带通滤波器105_1阻止频率f2至fN。端口2以频率f2输出微波信号150_2(通过带通滤波器105_2)，而带通滤波器105_2阻止频率f1、f3至fN。类似地，端口N以频率fN(经由带通滤波器105_N)输出微波信号150_N，而带通滤波器105_N阻止频率f1至fN-1。
在图2中，端口1至端口N的每一个及其各自的传输线30(以及相应的带通滤波器105_1至105_N)被认为是不同的/单独的信道/输出，并且公共端口120是公共信道/输入。因此，当作为功率分配器操作时，端口1至N的多个输出信道连接到公共端口120的(单个)公共(输入)信道。
如图1和2中可以认识到的，设备100被配置为根据端口110或120是否接收微波信号150的输入而作为微波信号分配器和组合器操作。
图3是描绘根据一个或多个实施例的量子系统应用中使用的设备100的系统300。图3是设备100的示例应用，通过使微波信号150_1至150_N具有与腔/谐振器1-N的相应谐振频率匹配或几乎匹配的频率f1至fN来描绘量子位的频率复用读出。应当理解，该示例可以同样地应用于通过使微波信号150_1至150_N具有与量子位1-N的相应谐振频率匹配或几乎匹配的频率f1至fN来驱动量子位。
在系统300中，量子系统305_1至305_N分别连接到端口1至端口N(输入)。量子系统通常可以称为量子系统305。量子系统305_1可以是腔和量子位1可操作地耦合在一起。量子系统305_2可以是腔和量子位2可操作地耦合在一起。类似地，量子系统305_N可以是腔和量子位N可操作地耦合在一起。在量子系统305中，腔和量子位可以电容连接，可以在二维空腔中连接和/或可以在三维空腔中连接，如本领域技术人员所理解的。一种类型的量子位是包含至少一个约瑟夫森结的超导量子位，其中约瑟夫森结是由两个超导金属(例如铝、铌等)夹持薄绝缘体(例如，氧化铝、氧化铌等)等形成的非线性非耗散电感器。
在一个实施方式中，系统300还可以包括连接到(输出)公共端口120的宽带量子限制放大器350。宽带量子限制放大器350具有宽带宽，设计用于放大具有相应频率f1至fN的所有微波信号150。
每个量子系统305被设计成以自己的谐振频率谐振，该谐振频率对于每个量子系统305是不同的。本领域技术人员认识到每个量子系统305中的腔是或者作为谐振器操作，使得腔在自身的谐振频率下谐振，通常称为读出谐振器频率。特别地，量子系统305_1中的腔被配置为以其谐振频率谐振，例如频率f1。量子系统305_2中的腔被配置为以其谐振频率f2谐振。类似地，量子系统305_N中的腔被配置为以其谐振频率fN谐振。
量子系统305经由电容器325耦合到设备100，并且量子系统305经由电容器320耦合到外部环境。外部环境可以包括微波信号生成设备。
在系统300中的量子系统305_1中的相应量子位的频率复用读出期间，处于频率f1的微波信号150_1处于量子系统305_1中的腔的谐振频率，并且处于频率f1的微波信号150_1以端口1和带通滤波器105_1两者为目标(因为带通滤波器105_1被设计为通过频率f1)。在量子系统305_2中的相应量子位的频率复用读出期间，处于频率f2的微波信号150_2处于量子系统305_2中的腔的谐振频率，并且处于频率f2的微波信号150_2以端口2和带通滤波器105_2两者为目标(因为带通滤波器105_2被设计为通过频率f2)。在量子系统305_N中的相应量子位的频率复用读出期间，处于频率fN的微波信号150_N处于量子系统305_N中的腔的谐振频率，并且处于频率fN的微波信号150_N以端口N和带通滤波器105_N(因为带通滤波器105_N被设计成通过频率fN)两者为目标。处于各自谐振频率f1至fN的微波信号150_1至150_N使得量子系统305_1至305_N分别谐振，因此，(在相应谐振频率下的)微波信号150导致耦合到它们各自腔(谐振器)的各个量子位的读出。这样，在与量子系统305_1(即，量子位谐振器)交互之后的微波信号150_1通过端口1发送到带通滤波器105_1，通过公共端口120发送到宽带量子限制放大器350。在与量子系统305_2(即，量子位谐振器)交互之后的微波信号150_2通过端口2发送到带通滤波器105_2，通过公共端口120发送到宽带量子限制放大器350。类似地，在与量子系统305_N(即，量子位谐振器)交互之后，微波信号150_N通过端口N传输到带通滤波器105_N，通过公共端口120发送到宽带量子限制放大器350。在与各个量子系统305_1至305_N交互之后，微波信号150_1至150_N中的每一个包含各个量子位的量子信息(例如，状态)。微波信号150_1至150_N中的每一个由宽带量子限制放大器350(同时)放大。
量子信号是微波信号。应该认识到，微波信号150可以在设备100中双向传输。
图4示出了根据一个或多个实施例的作为功率组合器的级联树的设备100。图4是放大设备100的示例。设备100被配置为在晶片上例如，作为芯片制造。为了不必要地模糊图4，为了清楚起见，省略了设备100的一些细节。应理解，这些细节包括在本文所讨论的类比中。
在该示例中，功率组合器树被描绘为具有2个级别。在其他实现中，在功率组合器树中可以有3,4,5...10或更多级。在图4中，在级别2中可以有M个单元的设备100，并且M个单元的设备100的每一个在级别2中具有N个输入。具有N个输入意味着级别2中的每个设备100具有相应数量的N个端口110分别连接到它们相应的N个带通滤波器105。的如本文所讨论的，N个输入的每一个在一对一的基础上具有单个端口110和单个带通滤波器105。在级别2中，设备100具有带通滤波器105，其中每个带通滤波器105具有如本文所讨论的不同的通带(即，不同的频带)，使得它们的频率覆盖不存在重叠。
功率组合器设备10_1至100_M中的每一个被配置为在其相应的中心传输线30_1至30_M上输出微波信号150。传输线30_1至30_M的指定用于表示功率组合器设备100_1至100_M中的每一个具有其自己的输出传输线30，因此，来自级别2中的设备100的中心传输线30的总数等于M。在级别1中，设备100_Z具有M个输入。设备100_1至100_M的每一个的输出分别各自连接到设备100_Z的M个输入之一，使得中心传输线30_1至30_M的每一个是设备100_Z的M个输入之一。
设备100_Z与本文讨论的设备100相同。然而，设备100_Z被构造成使得M个输入中的每一个在级别1中具有自己连接的带通滤波器105，其具有覆盖每个中心传输线30的较低级别2中的带通滤波器105的所有通带的通带。例如，在树400的级别1中，设备100_Z具有端口1的第一输入(M个输入)，使得其级别1中的带通滤波器105包括级别2中的设备100_1中的带通滤波器的所有通带。类似地，在树400的级别1中，设备100_Z具有端口2的第二输入(M个输入)，使得其级别1中的带通滤波器105包括级别2中的设备100_2中的带通滤波器的所有通带。通过树400的级别1中的最后输入(M个输入)，设备100_Z具有端口N的最后输入，使得其级别1中的带通滤波器105包括级别2中的设备100_M的带通滤波器的所有通带。
在级别1中，设备100_Z被配置为在M个输入上接收微波信号150_1至150_Z，并且将微波信号150_1至150_Z组合以在中心传输线30_Z上输出。因此，功率设备的树400按比例放大，使得级别1的设备100_Z输出M×N个微波信号150，其对应于级别2中的设备100的M个单元，级别2中的每个设备100具有N个输入。微波信号150_1至150_Z的方向示出了作为放大的功率组合器操作的树400。类似地，可以切换微波信号150_1至150_Z的方向以作为放大的信号分配器操作。
图5是描绘根据一个或多个实施例的用于量子信号的微波组合器的设备100的示意图。设备100包括这里讨论的所有各种特征。此外，设备100包括附加特征以确保通过的微波信号的阻抗匹配(即，最小化沿信号路径的反射)，并且还使得能够将多个分支/线路连接到公共节点115。
在图5中，阻抗变换器505_1至505_N分别添加在各个端口1至N及其相关的带通滤波器105_1至105_N之间。而且，设备100包括连接到公共节点115和公共端口120的宽带阻抗变换器510。阻抗变换器505_1到505_N和阻抗变换器510被配置为提供阻抗匹配。在设备100的一端，阻抗变换器505_1至505_N被构造成匹配(或几乎匹配)端口1-N的输入阻抗Z0并匹配相关的带通滤波器105_1至105_N。阻抗变换器505_1至505_N中的每一个配置有特征阻抗其中Z0是输入阻抗(以及输出阻抗)，其中ZH是带通滤波器105_1至105_N的高阻抗，并且其中Z是每个阻抗变换器505_1至505_N的平均阻抗。平均特征阻抗Z是Z0和ZH的乘积的平方根。将公共节点区域中的设备端口Z0的阻抗转换为高特征阻抗ZH的一个原因可能是有用的，因为通常，高阻抗传输线(例如微带或带状线)具有窄的迹线，其轮流最小化公共节点的物理大小，并允许在该节点处将更多线连接在一起。如果带通滤波器被实现为耦合线滤波器和/或电容耦合谐振器，则这尤其相关。但是，如果所有滤波器都是使用集总元件(占用空间非常小)实现的，则这种阻抗变换可能不那么重要。
在一个实施方式中，阻抗变换器505_1至505_N可以是阻抗匹配传输线，其中一端(例如，左端)具有与输入阻抗Z0匹配的宽宽度，而相对端(例如，右端)具有与带通滤波器105的高阻抗ZH匹配的窄宽度。阻抗匹配变换器505_1至505_N的中的每一个具有根据其各自的关系λ1/4，λ2/4，...，λN/4的长度，其中λ1是微波信号150_1的波长，λ2是微波信号150_2的波长，λN是微波信号150_N的波长。这些阻抗变换器通常具有窄带宽。
在一个实施方式中，宽带阻抗变换器510可以是阻抗匹配传输线，其中一端(例如，左端)具有与带通滤波器105的高阻抗ZH(经由公共节点115)匹配的窄宽度，而相对端(例如，右端)具有与输出阻抗Z0匹配的宽宽度。这种宽带阻抗变换器510可以使用锥形传输线来实现，例如，传输线的宽度在最大信号波长的范围内绝热地改变。本领域技术人员已知的锥形线的其他实施方式也是可能的，例如指数锥形或Klopfenstein锥形。此外，应该注意的是，该阻抗变换器与其他变压器505的宽带要求源于这样的事实：与仅需要匹配以带通的相应中心频率为中心的窄频率范围的阻抗的阻抗变换器505相比，该宽带变换器需要匹配通过它传输的宽带信号频率的特征阻抗。
阻抗变换器505_1至505_N和阻抗变换器510由如本文所讨论的超导材料制成，例如铌，铝，钽等。
阻抗指定Z0是端口110和120处的特征阻抗(可以是输入和输出端口，反之亦然)。例如，如本领域技术人员所认识到的，特征阻抗Z0在每个端口110和120处可以是50欧姆(Ω)。
图6是根据一个或多个实施例的配置超导微波组合器设备100的方法600的流程图。可以参考图1-5。
在块605，提供第一滤波器105_1至最后一个滤波器。第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N分别连接至第一输入至最后一个输入(例如，各自分别连接到各个端口110的传输线30)。第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N的每一个分别具有第一通带至最后一个通带(分别包括频率f1-fN)，使得第一通带至最后一个通带各自不同。
在块610，公共输出(例如，连接到公共端口120的传输线30)经由第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N连接至第一输入至最后一个输入。
第一输入至最后一个输入彼此隔离，从而避免第一输入至最后一个输入之间的信号泄漏。第一滤波器至最后一个滤波器的每个配置为以不同的频率组发送信号(微波信号150_1至150_N)。第一滤波器至最后一个滤波器(例如带通滤波器105_1至105_N)的每一个都是无源的，因此不需要操作功率来作为无源滤波器操作，并且不需要功率增益。
第一滤波器至最后一个滤波器的第一滤波器105_1被配置为仅以第一组频率传递信号，第一滤波器至最后一个滤波器的下一个滤波器105_2被配置为仅以下一组频率传递信号，并且第一滤波器到最后一个滤波器的最后一个滤波器105_N被配置为仅以最后一组频率传递信号。第一组、下一组和最后一组频率中的每一个都是非重叠的(即，通带不重叠)。
第一输入至最后一个输入分别包括第一端口(例如，端口1)至最后一个端口(例如，端口N)。第一端口1至最后一个端口N分别可操作地连接到第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N，使得分别通过第一端口至最后一个端口输入的第一至最后一个信号(例如，图4中的微波信号150_1至150_N或微波信号150_1至150_Z)被组合并通过公共端口120输出。
第一阻抗变换器505_1至最后一个阻抗变换器505_N分别连接在第一端口1至最后一个端口N和第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N之间。第一阻抗变换器至最后一个阻抗变换器的被配置为提供阻抗匹配，如图5中所讨论的。公共阻抗变换器510连接在第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N与公共端口120之间，并且公共阻抗变换器510被配置为提供阻抗匹配。第一滤波器至最后一个滤波器的是超导的，并且第一滤波器至最后一个滤波器包括超导材料。
图7是根据一个或多个实施例的配置超导微波分配器设备100的方法700。可以参考图1-6。超导微波分配器和超导微波组合器是相同的设备。然而，微波分配器和组合器如所讨论的那样在相反的方向上操作。特别地，输入端口和输出端口相对于输入和输出微波信号150以相反的顺序使用。
在块705，提供第一滤波器至最后一个滤波器。第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N分别连接到第一输出至最后一个输出(例如，分别连接到各个端口110的传输线30)。第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N分别具有第一通带至最后一个通带(分别包括频率f1至fN)，使得第一通带至最后一个通带各自不同。
在块710，公共输入(例如，连接到公共端口120的传输线30)经由第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N连接到第一输出至最后一个输出。
第一输出至最后一个输出的每个彼此隔离，从而避免第一输出至最后一个输出之间的信号泄漏。第一滤波器至最后一个滤波器的每一个被配置为以不同的频率组(例如，微波信号150_1至150_N)发送信号。第一滤波器至最后一个滤波器(例如，带通滤波器105_1至105_N)的每一个都是无源的，因此不需要操作功率来作为无源滤波器操作，并且不产生功率增益。
第一滤波器至最后一个滤波器的第一滤波器105_1被配置为仅以第一组频率传递信号，第一滤波器至最后一个滤波器的下一个滤波器105_2被配置为仅以下一组频率传递信号，第一滤波器至最后一个滤波器的最后一个滤波器105_N被配置为仅以最后一组频率传递信号。第一组、下一组和最后一组频率中的每一个都是非重叠的(即，通带不重叠)。
第一输出至最后一个输出分别包括第一端口(例如，端口1)至最后一个端口(例如，端口N)。第一端口1至最后一个端口N分别可操作地连接到第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N，使得第一至最后一个信号(例如，图4中的微波信号150_1至150_N或微波信号150_1至150_Z)分别通过第一端口至最后一个端口输出。第一至最后一个信号(例如，图4中的微波信号150_1至150_N或微波信号150_1至150_Z)通过处于不同频率的公共端口120一起输入。
第一阻抗变换器505_1至最后一个阻抗变换器505_N分别连接在第一端口1至最后一个端口N以及第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N之间。第一阻抗变换器至最后一个阻抗变换器被配置为提供阻抗匹配，如图5中所讨论的。公共阻抗变换器510连接在第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N与公共端口120之间，并且公共阻抗变换器510被配置为提供宽带阻抗匹配。第一滤波器至最后一个滤波器是超导的，并且第一滤波器至最后一个滤波器包括超导材料。
一个或多个实施例包括超导系统300。第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N被配置为分别连接到第一量子系统305_1至最后一个量子系统305_N。第一滤波器至最后一个滤波器的分别具有第一通带至最后一个通带(分别包括频率f1至fN)，使得第一通带至最后一个通带的各自不同。公共输出(例如，连接到公共端口120的传输线30)经由第一滤波器105_1至最后一个滤波器105_N连接到第一量子系统305_1至最后一个量子系统305_N。
第一量子系统305_1至最后一个量子系统305_N被配置为在第一谐振频率(例如，频率f1)至最后一个谐振频率(fN)谐振。第一滤波器至最后一个滤波器被配置对于第一谐振频率至最后一个谐振频率分别以传输(通过/传输信号)操作，使得第一滤波器至最后一个滤波器中的每一个(仅)与第一谐振频率f1至最后谐振频率fN的一个相关联。
第一滤波器至最后一个滤波器被配置成对于除第一谐振频率至最后一个谐振频率中相关的那一个之外的任何其他频率以反射(即，阻挡)操作。换句话说，选择频率f1至fN以便一对一地匹配/重叠其自己的量子系统305_1至305_N的谐振频率。
技术效果和益处包括基于微波信号的频率分离微波信号的技术和设备，从而允许设备多路复用读出和驱动多个量子位而不衰减驱动和/或读出中使用的微波信号。技术益处还包括功率组合器和信号分配器中的不同端口之间的隔离。
术语“约”及其变体旨在包括与基于提交申请时可用的设备的特定量的测量相关联的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或5％，或2％的范围。
这里参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明的各方面。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。还应注意，框图和/或流程图说明的每个框以及框图和/或流程图说明中的框的组合可以由执行特定功能或动作的基于专用硬件的系统来实现。执行专用硬件和计算机指令的组合。
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，但是并不旨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，或者使本领域普通技术人员能够理解本文所述的实施例。

Claims (25)

1.一种超导微波组合器，包括：
第一滤波器至最后一个滤波器，其中第一滤波器至最后一个滤波器分别连接到第一输入至最后一个输入，其中第一滤波器至最后一个滤波器的每一个分别具有第一通带至最后一个通带，使得第一通带至最后一个通带各自不同，其中第一输入至最后一个输入互不连接；
经由第一滤波器至最后一个滤波器连接到第一输入至最后一个输入的公共输出，其中第一滤波器至最后一个滤波器是超导的，第一滤波器至最后一个滤波器包括超导集总元件。
2.如权利要求1所述的超导微波组合器，其中第一输入至最后一个输入彼此隔离，从而避免第一输入至最后一个输入之间的信号泄漏。
3.如权利要求1所述的超导微波组合器，其中，第一滤波器至最后一个滤波器的每一个被配置为以不同的频率组发送信号；并且
其中，第一滤波器至最后一个滤波器都是无源的，因此不需要操作功率来作为无源滤波器工作。
4.如权利要求3所述的超导微波组合器，其中：
第一滤波器至最后一个滤波器的第一滤波器被配置为仅以第一组频率传递信号，
第一滤波器至最后一个滤波器的下一个滤波器被配置为仅以下一组频率传递信号，并且
第一滤波器至最后一个滤波器的最后一个滤波器被配置为仅以最后一组频率传递信号，第一组、下一组和最后一组频率中的每一个都是非重叠的。
5.如权利要求1所述的超导微波组合器，其中，第一输入至最后一个输入分别包括第一端口至最后一个端口；以及
其中，第一端口至最后一个端口可操作地分别连接到第一滤波器至最后一个滤波器，使得分别通过第一端口至最后一个端口输入的第一至最后一个信号被组合并通过公共端口输出。
6.如权利要求5所述的超导微波组合器，其中第一阻抗变换器至最后一个阻抗变换器分别连接在第一端口至最后一个端口和第一滤波器至最后一个滤波器之间，第一阻抗变换器至最后一个阻抗变换器提供阻抗匹配；并且
其中，公共阻抗变换器连接在第一滤波器至最后一个滤波器和公共端口之间，公共阻抗变换器被配置为提供阻抗匹配。
7.如权利要求6所述的超导微波组合器，其中第一滤波器至最后一个滤波器包括超导材料。
8.一种配置超导微波组合器的方法，方法包括：
提供第一滤波器至最后一个滤波器，其中第一滤波器至最后一个滤波器分别连接到第一输入至最后一个输入，其中第一滤波器至最后一个滤波器的每一个分别具有第一通带至最后一个通带，使得第一通带至最后一个通带各自不同，其中第一输入至最后一个输入互不连接；以及
提供经由第一滤波器至最后一个滤波器连接到第一输入至最后一个输入的公共输出，其中第一滤波器至最后一个滤波器是超导的，第一滤波器至最后一个滤波器包括超导集总元件。
9.如权利要求8所述的方法，其中第一输入至最后一个输入彼此隔离，从而避免第一输入至最后一个输入之间的信号泄漏。
10.如权利要求8所述的方法，其中，第一滤波器至最后一个滤波器的每一个被配置为以不同的频率组发送信号；并且
其中，第一滤波器至最后一个滤波器都是无源的，因此不需要操作功率来作为无源滤波器工作。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
第一滤波器至最后一个滤波器的第一滤波器被配置为仅以第一组频率传递信号，
第一滤波器至最后一个滤波器的下一个滤波器被配置为仅以下一组频率传递信号，并且
第一滤波器至最后一个滤波器的最后一个滤波器被配置为仅以最后一组频率传递信号，第一组、下一组和最后一组频率中的每一个都是非重叠的。
12.如权利要求8所述的方法，其中，第一输入至最后一个输入分别包括第一端口至最后一个端口；以及
其中，第一端口至最后一个端口可操作地分别连接到第一滤波器至最后一个滤波器，使得分别通过第一端口至最后一个端口输入的第一至最后一个信号被组合并通过公共端口输出。
13.如权利要求12所述的方法，其中第一阻抗变换器至最后一个阻抗变换器分别连接在第一端口至最后一个端口和第一滤波器至最后一个滤波器之间，第一阻抗变换器至最后一个阻抗变换器提供阻抗匹配；并且
其中，公共阻抗变换器连接在第一滤波器至最后一个滤波器和公共端口之间，公共阻抗变换器被配置为提供阻抗匹配。
14.如权利要求8所述的方法，其中第一滤波器至最后一个滤波器包括超导材料。
15.一种超导微波分配器，包括：
第一滤波器至最后一个滤波器，其中第一滤波器至最后一个滤波器分别连接到第一输出至最后一个输出，其中第一滤波器至最后一个滤波器分别具有第一通带至最后一个通带，使得第一通带至最后一个通带各自不同；以及
经由第一滤波器至最后一个滤波器连接到第一输入至最后一个输入的公共输出，其中第一滤波器至最后一个滤波器是超导的，第一滤波器至最后一个滤波器包括超导集总元件。
16.如权利要求15所述的超导微波分配器，其中第一输出至最后一个输出彼此隔离，从而避免第一输出至最后一个输出之间的信号泄漏。
17.如权利要求15所述的超导微波分配器，其中，第一滤波器至最后一个滤波器的每一个被配置为以不同的频率组发送信号；并且
其中，第一滤波器至最后一个滤波器都是无源的，因此不需要操作功率来作为无源滤波器工作。
18.如权利要求17所述的超导微波分配器，其中：
第一滤波器至最后一个滤波器的第一滤波器被配置为仅以第一组频率传递信号，
第一滤波器至最后一个滤波器的下一个滤波器被配置为仅以下一组频率传递信号，并且
第一滤波器至最后一个滤波器的最后一个滤波器被配置为仅以最后一组频率传递信号，第一组、下一组和最后一组频率中的每一个都是非重叠的。
19.如权利要求15所述的超导微波分配器，其中，第一输出至最后一个输出分别包括第一端口至最后一个端口；以及
其中，第一端口至最后一个端口可操作地分别连接到第一滤波器至最后一个滤波器，使得分别通过第一端口至最后一个端口输出第一至最后一个信号，第一至最后一个信号被通过公共端口输入。
20.如权利要求19所述的超导微波分配器，其中第一阻抗变换器至最后一个阻抗变换器分别连接在第一端口至最后一个端口和第一滤波器至最后一个滤波器之间，第一阻抗变换器至最后一个阻抗变换器提供阻抗匹配；并且
其中，公共阻抗变换器连接在第一滤波器至最后一个滤波器和公共端口之间，公共阻抗变换器被配置为提供阻抗匹配。
21.如权利要求15所述的超导微波分配器，其中第一滤波器至最后一个滤波器包括超导材料。
22.一种配置超导微波分配器的方法，方法包括：
提供第一滤波器至最后一个滤波器，其中第一滤波器至最后一个滤波器分别连接到第一输出至最后一个输出，其中第一滤波器至最后一个滤波器分别具有第一通带至最后一个通带，使得第一通带至最后一个通带各自不同；以及
提供经由第一滤波器至最后一个滤波器连接到第一输入至最后一个输入的公共输出，其中第一滤波器至最后一个滤波器是超导的，第一滤波器至最后一个滤波器包括超导集总元件。
23.如权利要求22所述的方法，其中第一输出至最后一个输出彼此隔离，从而避免第一输出至最后一个输出之间的信号泄漏。
24.如权利要求22所述的方法，其中，第一滤波器至最后一个滤波器的每一个被配置为以不同的频率组发送信号；并且
其中，第一滤波器至最后一个滤波器都是无源的，因此不需要操作功率来作为无源滤波器工作。
25.如权利要求24所述的方法，其中：
第一滤波器至最后一个滤波器的第一滤波器被配置为仅以第一组频率传递信号，
第一滤波器至最后一个滤波器的下一个滤波器被配置为仅以下一组频率传递信号，并且
第一滤波器至最后一个滤波器的最后一个滤波器被配置为仅以最后一组频率传递信号，第一组、下一组和最后一组频率中的每一个都是非重叠的。
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