CN110024282A - 可扩展的量子位驱动和读出 - Google Patents

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CN110024282A CN201780052267.7A CN201780052267A CN110024282A CN 110024282 A CN110024282 A CN 110024282A CN 201780052267 A CN201780052267 A CN 201780052267A CN 110024282 A CN110024282 A CN 110024282A
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Abstract

用于量子位驱动和读出的系统包括连接到量子系统的第一无损微波开关。第二个无损微波开关可连接到第一个无损微波开关。量子限制放大器可连接到第二无损微波开关。

Description

可扩展的量子位驱动和读出
背景技术
本发明涉及超导电子设备，更具体地，涉及可扩展的量子位驱动和读出方案。
在电路量子电动力学中，量子计算采用称为量子位的非线性超导设备来操纵和存储微波频率的量子信息，并采用谐振器(例如，作为二维(2D)平面波导或作为三维(3D)微波腔)读出并促进量子位之间的相互作用。作为一个示例，每个超导量子位可以包括一个或多个约瑟夫森结，由与该一个或多个结并联的电容器分流。量子位电容耦合到谐振器(例如，2D或3D微波腔)。
发明内容
根据一个或多个实施例，提供了一种用于量子位驱动和读出的系统。该系统包括连接到量子系统的第一无损微波开关，可连接到第一无损微波开关的第二无损微波开关，以及可连接到第二无损微波开关的量子限制放大器。
根据一个或多个实施例，提供了一种用于量子位驱动和读出的系统。该系统包括连接到量子系统的第一无损微波开关，其中第一输入可连接到第一无损微波开关，量子限制放大器可连接到第一无损微波开关。此外，该系统包括连接到量子系统的第二无损微波开关，其中第二输入可连接到第二无损微波开关。第二输入配置为驱动量子系统，第一输入配置为读出量子系统。
根据一个或多个实施例，提供了一种用于量子位驱动和读出的系统。该系统包括连接到量子系统的无损微波信号分配器，其中第一输入可连接到无损微波信号分配器。该系统包括连接到量子系统的无损微波开关，其中第二输入可连接到无损微波开关。第二输入配置为通过无损微波开关驱动量子系统，第一输入配置为通过无损微波信号分配器读出量子系统。
根据一个或多个实施例，提供了一种用于量子位驱动和读出的系统。该系统包括连接到量子系统的无损微波信号分配器，其中第一输入连接到无损微波信号分配器。该系统包括连接到量子系统的无损微波开关，其中第二输入可连接到无损微波开关。第二输入配置为通过无损微波开关驱动量子系统。此外，该系统包括连接到量子系统的无损微波信号组合器，其中第一输入配置成通过无损微波信号分配器和无损微波信号组合器读出量子系统。
附图说明
图1是根据一个或多个实施例的超导微波开关/路由器的示意图。
图2是根据一个或多个实施例的图1的超导微波开关/路由器的框图。
图3是根据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。
图4是根据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/路由器的示意图。
图5是根据一个或多个实施例的超导微波开关/路由器的示意图。
图6是根据一个或多个实施例的图5的超导微波开关/路由器的框图。
图7是根据一个或多个实施例的超导微波开关/路由器的示意图。
图8是根据一个或多个实施例的超导微波开关/路由器的示意图。
图9是根据一个或多个实施例的N端口超导微波开关/路由器的示意图。
图10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11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12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13是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14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15是根据一个或多个实施例的用于量子位驱动和量子位读出的系统。
图16是根据一个或多个实施例的用于量子位驱动和量子位读出的系统。
图17是根据一个或多个实施例的用于量子位驱动和量子位读出的系统。
图18是根据一个或多个实施例的用于量子位驱动和量子位读出的系统。
图19是根据一个或多个实施例的配置图15的用于量子位驱动和量子位读出的系统的方法的流程图。
图20是根据一个或多个实施例的配置图16的用于量子位驱动和量子位读出的系统的方法的流程图。
图21是根据一个或多个实施例的配置图17的用于量子位驱动和量子位读出的系统的方法的流程图。
图22是根据一个或多个实施例的配置图18的用于量子位驱动和量子位读出的系统的方法的流程图。
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。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。
与量子位相关联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。在一个示例中，为了读出量子位状态，将微波信号施加到微波读出腔，该微波读出腔在对应于量子位状态的腔频率耦合到量子位。传输(或反射)的微波信号经过多个热隔离级和需要阻止或降低噪声并提高信噪比的低噪声放大器。在室温下测量微波信号。返回的高微波信号表示量子位处于高状态，低微波信号表示低状态。微波读出为控制提供稳定的信号幅度，商用现货(COTS)硬件可用于覆盖大部分微波频率范围。
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。为了保护这些量子系统免受微波和红外噪声的影响，应用几层滤波、衰减和隔离。特别感兴趣的是在输入和输出(I/O)线(也称为传输线)上采用的保护层，连接到量子系统，并且分别将输入和输出信号传送到量子系统以及从量子系统传送输入和输出信号。在超导量子位的情况下，这些I/O线(传输线)通常是微波同轴线或波导。用于阻挡或衰减传播或泄漏到这些传输线中的噪声的一些技术或组件是衰减器、循环器、隔离器、低通微波滤波器、带通微波滤波器和基于有损吸收材料的红外滤波器。然而，这些噪声隔离组件和微波信号放大技术需要大量额外的微波硬件和成本。
现在转到本发明各方面的描述。根据一个或多个实施例，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)超导量子干涉设备(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-输出对可以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。
现在转到本发明各方面更具体的描述。图1是根据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L140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是根据一个或多个实施例的图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，根据实施例，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)超导量子干涉设备(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，根据实施例，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-SQUID705_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(超导量子干涉设备)是本领域技术人员公知的一种超导电子设备。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-SQUID 705_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)。
提供了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。这里可以参考图1-9。提供多个端口10。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。
提供了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。这里可以参考图1-9。提供多个端口10。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设备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。
提供了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。这里可以参考图1-9。提供节点905作为中心连接点。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。
提供了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。这里可以参考图1-9。提供多个端口10。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。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。
现在转向微波信号组合器和微波信号分配器，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(dilution fridge)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10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1000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1000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发送(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305_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305_2到305_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305_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305_1、305_3至305_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305_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305_1至305_N-1。微波信号305_1至305_N通常被称为微波信号305。当腔量子位量子系统可操作地连接到设备1000时，微波信号305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1000包括独立连接到各个带通滤波器105的端口10。特别地，不同的端口10被指定为端口1、端口2到端口N，其中端口N表示端口10的最后一个。类似地，N表示频率、微波信号305、带通滤波器105、量子系统3050(在下面的图12中讨论)等等的最后一个。在设备1000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10(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305_1至305_N，所以设备1000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305不会经由公共节点115通过任何一个端口10(无论进入还是离开)泄漏到另一个端口10中。因此，作为连接到自己的带通滤波器105的结果，每个端口10与其他端口10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305。这样，带通滤波器105_1至105_N负责提供端口10(例如，端口1、端口2至端口N)之间的隔离。
各个端口10、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10、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1000的一个实现中，同轴电缆可以连接到端口10和120的外端，使得连接到端口10的同轴电缆以不同的频率f1至fN输入微波信号305_1至305_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305_1至305_N。在微波组合器中，对于在其各自频率f1至fN的微波信号305_1至305_N的每一个，没有微波信号305通过任何其他(输入)端口10传输回来(即，端口隔离)，微波信号305_1至305_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305_1至305_N并通过公共端口120输出它们。设备1000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1000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1000被配置为双向的。如本文所述，相同的设备1000可以用作微波功率组合器和微波信号分配器。
图11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1000的示意图。微波分配器设备1000被配置为将在公共端口120上输入的微波信号305_1至305_N分配到各个端口1至N，其中微波信号305_1至305_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1000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305_1至305_N，而连接到输出端口10的其他同轴电缆输出各个微波信号305_1至305_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305_1至305_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305_1至305_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305通过公共端口120输入，并且微波信号305_1至305_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305_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305_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305_N，而带通滤波器105_N阻止频率f1至fN-1。
在图11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10和11中可以认识到的，设备1000被配置为根据端口10或120是否接收微波信号305的输入而作为微波信号分配器和组合器操作。
图12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1000的系统300。图12是设备1000的示例应用，通过使微波信号305_1至305_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305_1至305_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3050_1至3050_N分别连接到(输入)端口1至端口N。量子系统通常可以称为量子系统3050。量子系统3050_1可以是腔和量子位1可操作地耦合在一起。量子系统3050_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3050_N可以是腔和量子位N可操作地耦合在一起。在量子系统3050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305。
每个量子系统3050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3050是不同的。本领域技术人员认识到每个量子系统3050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3050_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3050_2中的腔被配置为以其谐振频率f2谐振。类似地，量子系统3050_N中的腔被配置为以其谐振频率fN谐振。
量子系统3050经由电容器325耦合到设备1000，并且量子系统3050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3050_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305_1处于量子系统3050_1中的腔的谐振频率，并且处于频率f1的微波信号305_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3050_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305_2处于量子系统3050_2中的腔的谐振频率，并且处于频率f2的微波信号305_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3050_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305_N处于量子系统3050_N中的腔的谐振频率，并且处于频率fN的微波信号305_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305_1至305_N使得量子系统3050_1至3050_N分别谐振，因此，(在相应谐振频率下的)微波信号305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3050_1(即，量子位谐振器)交互之后的微波信号305_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3050_2(即，量子位谐振器)交互之后的微波信号305_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3050_N(即，量子位谐振器)交互之后，微波信号305_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3050_1至3050_N交互之后，微波信号305_1至305_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305_1至305_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305可以在设备1000中双向传输。
图13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1000。图13是放大设备1000的示例。设备1000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13，为了清楚起见，省略了设备1000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13中，在级别2中可以有M个单元的设备1000，并且M个单元的设备1000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1000具有相应数量的N个端口10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10和单个带通滤波器105。在级别2中，设备1000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1000_1至1000_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305。传输线30_1至30_M的指定用于表示功率组合器设备1000_1至1000_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1000的中心传输线30的总数等于M。在级别1中，设备1000_Z具有M个输入。设备1000_1至1000_M的每一个的输出分别各自连接到设备1000_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1000_Z的M个输入之一。
设备1000_Z与本文讨论的设备1000相同。然而，设备1000_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1000_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1000_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1000_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1000_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1000_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1000_M的带通滤波器的所有通带。
在级别1中，设备1000_Z被配置为在M个输入上接收微波信号305_1至305_Z，并且将微波信号305_1至305_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1000_Z输出M×N个微波信号305，其对应于级别2中的设备1000的M个单元，级别2中的每个设备1000具有N个输入。微波信号305_1至305_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305_1至305_Z的方向以作为放大的信号分配器操作。
图14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1000的示意图。设备1000包括这里讨论的所有各种特征。此外，设备1000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14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1000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1000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305_1的波长，λ2是微波信号305_2的波长，λN是微波信号305_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10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10和120处可以是50欧姆(Ω)。
根据一个或多个实施例提供了一种配置超导微波组合器设备1000的方法。可以参考图10-14。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10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至fN)，使得第一通带至最后一个通带各自不同。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305_1至305_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13中的微波信号305_1至305_N或微波信号305_1至305_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14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。第一个滤波器至最后一个滤波器的是超导的，并且第一个滤波器至最后一个滤波器包括超导材料。
提供了一种根据一个或多个实施例的配置超导微波分配器设备1000的方法。可以参考图11-14。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305以相反的顺序使用。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10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。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305_1至305_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13中的微波信号305_1至305_N或微波信号305_1至305_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13中的微波信号305_1至305_N或微波信号305_1至305_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14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3050_1至最后一个量子系统3050_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3050_1至最后一个量子系统3050_N。
第一量子系统3050_1至最后一个量子系统3050_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3050_1至3050_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，从而允许设备置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。
使用在此讨论的设备100和1000，一个或多个实施例提供了用于最小化初始化、计算(或操纵)和读出大量超导量子位所需的输入和输出线的数量的方法和系统。
在现有技术涉及超导量子位的许多实验中，在稀释冰箱中每个量子位至少需要两个微波线以便初始化、计算(或操纵)和测量这些量子位(即，使用输入和输出线)。然而，由于稀释冰箱中的空间有限以及稀释冰箱的冷却功率有限，这种线路分配不能扩展到包含超过50个量子位的大型量子处理器。
然而，根据一个或多个实施例，在一个实现中，输入和输出技术可扩展到超过500个量子位，并且具有最少数量的输入和输出线。
图15、16、17和18示出了根据一个或多个实施例的用于驱动量子位和读出量子位的各种系统。图15是根据一个或多个实施例的用于量子位驱动和量子位读出(两者)的系统1500。系统1500示出了在反射中操作，其中量子位和量子位脉冲的读出使用相同的输入和输出(I/O)线(即传输线)。
系统1500包括谐振器量子位系统阵列1520的阵列。分别存在各个量子位1550_1至1550_N(通常称为量子位1550)和读出谐振器1555_1至1555_N(读出谐振器1555)。在谐振器量子位系统的阵列1520中，量子位1550与其自己的读出谐振器1555存在一对一的关系，使得可以通过读取读出谐振器1555来读取/推断特定量子位1550的状态。因此，如本领域技术人员所理解的，谐振器量子位系统的阵列1520包括连接到它们各自的(可单独寻址的)读出谐振器1555_1至1555_N的可单独寻址的量子位1550_1至1550_N的阵列。谐振器量子位系统的阵列1520中的每个读出谐振器1555被设计成在其自己的读出谐振频率下谐振，该读出谐振频率被预定为对于每个读出谐振器1555_1至1555_N而言是不同的。类似地，在一个实现中，每个单独的量子位1550_1至1550_N可以被设计为具有其自己的量子位频率(用于驱动量子位)，该量子位频率预定义为对于每个量子位1550_1至1550_N而言是不同的。在另一种实现中，量子位频率不需要是不同的，它们中的一些可以是不同的，一些可以是相同的。本领域技术人员认识到腔可以用作读出谐振器，使得腔以其自己的读出谐振频率谐振。例如，谐振器量子位系统1520可以是图12中讨论的腔量子位系统3050_1至3050_N的阵列。
谐振器量子位系统的阵列1520连接到被指定为100_1的超导微波开关/路由器100，因为图15中示出了多于一个超导微波开关/路由器。超导微波开关/路由器100_1是连接到谐振器量子位系统的阵列1520的1-N量子开关/路由器。如本文所讨论的，超导微波开关/路由器100_1是双向的。超导微波开关/路由器100_1配置有端口，所述端口经由传输线30连接到谐振器量子位系统的阵列1520的端口。谐振器量子位系统1520的阵列的每个端口可单独寻址和/或连接到单个谐振器量子位系统，使得每个单独的谐振器量子位系统可以与之通信。例如，一个谐振器量子位系统是与其读出谐振器1555_1连接的量子位1550_1。另一个谐振器量子位系统是通过最后一个谐振器量子位系统连接到其读出谐振器1555_2的量子位1550_2，最后一个谐振器量子位系统包括连接到其读出谐振器1555_N的量子位1550_N。
在该示例中，超导微波开关/路由器100_1的端口与连接到谐振器量子位系统的1520阵列的端口的数量匹配，并且超导微波开关/路由器100_1的N个端口经由传输线30_1至30_N连接到谐振器量子位系统的1520的阵列的N个端口。超导微波开关/路由器100_1的第一端口和谐振器量子位系统的阵列1520经由传输线30_1连接，而超导微波开关/路由器100_1的最后一个端口和谐振器量子位系统的阵列1520经由传输线30_N连接。
系统1500包括宽带低损环行器(circulator)1505，一端连接到1-N超导微波开关/路由器100_1的单个端口。超导微波开关/路由器100_1一端具有一个端口而另一端具有N个端口，其中任一端可以用作输入和输出。一个端口被配置为经由相关联的可调滤波器20将信号引导到1-N端口，如本文中在图1-9中所讨论的。对于总共N个可调滤波器20，1-N超导微波开关/路由器100_1中的N个端口中的每一个具有相关联的可调滤波器20，即每个传输线30_1至30_N一个。宽带低损环行器1505连接到超导微波开关/路由器100_1的一个端口，而超导微波开关/路由器100_1的1-N端口连接到谐振器量子位系统的阵列1520的另一端。宽带低损环行器1505可以由超导材料制成。宽带低损环行器1505是宽带的，因为它被构造成覆盖/引导超导微波开关/路由器100_1的1-N端口中的每个可调滤波器20中所覆盖的频率。
在图15中，系统1500包括被指定为1-2超导微波开关/路由器100_2(量子开关)的其他一个超导微波开关/路由器100，因为如讨论的，超导微波开关/路由器100_2具有经由2个可调滤波器20连接/可连接到2个另外端口的1个端口。宽带低损环行器1505连接到超导微波开关/路由器100_2的1个端口，而超导微波开关/路由器100_2的其他2个端口分别连接到冷/负载转储器(dump)1510和宽带量子限制定向放大器350。宽带量子限制定向放大器350放大包含谐振器量子位系统的阵列1520中相应量子位的量子信息的反射读出信号。冷/负载转储器1510可以是50欧姆(Ω)环境，其中施加输出的量子位驱动/脉冲，并且量子位脉冲是用于驱动谐振器量子位系统的阵列1520中的期望量子位的量子位驱动脉冲。超导微波开关/路由器100_1和100_2代表系统1500中两个独立的超导微波开关/路由器，它们的细节可以在图10-14中讨论的超导微波开关/路由器100中找到。
现在，讨论通过利用时间复用微波信号(例如上面讨论的微波信号305)驱动量子位来驱动量子位的量子位脉冲的示例。谐振器量子位系统的阵列1520包括分别连接到自己的读出谐振器1555_1至1555_N的量子位1550_1至量子位1550_N，其中量子位1550_1(例如，电容或电感地)连接到读出谐振器1555_1，量子位1550_2连接到读出谐振器1555_2，一直到量子位1550_N连接到读出谐振器1555_N。传输线30_1连接到谐振器量子位系统的阵列1520中的量子位1550_1和读出谐振器1555_1。传输线30_2连接到谐振器量子位系统的阵列1520中的量子位1550_2和读出谐振器1555_2。类似地，传输线30_N连接到谐振器量子位系统的阵列1520中的量子位1550_N和读出谐振器1555_N。
在每个量子位1550_1至1550_N可以具有自己的量子位频率(即，每个量子位频率不同)的一个实现中，可以单独地驱动每个量子位1550_1至1550_N。在另一实现中，一些量子位频率可以相同而一些不同，并且量子位1550_1至1550_N的每一个可以被单独驱动，因为操作器(或控制器)能够通过使用时分复用驱动来驱动不同的量子位。通过控制1-N量子开关100_1，操作器(控制器)能够将每个驱动或(在不同时间发送的)读出脉冲与相应的量子位读出系统相匹配。以下讨论针对处于量子位频率的第一微波信号(例如，在时间t1驱动量子位1550_1)，但是通过类比应用于处于相应量子位频率的微波信号以驱动量子位1550_2至1550_N。在输入IN1，为了驱动所需的量子位1550，使用时分复用将微波信号发送到谐振器量子位系统的阵列1520。例如，在传输线30_1上的时间t1发送用于驱动量子位1550_1的量子位频率的第一微波信号，在传输线30_1上的时间t2发送用于驱动量子位1550_2的量子位频率的第二微波信号，一直到在传输线30_N上的时间tN发送用于驱动量子位1550_N的量子位频率的最后一个微波信号。在一个实现中，用于发送微波信号的时间可以具有时间t1<t2<tN的关系。在另一实现中，取决于操作，时间可以是不同的时间顺序。无论时间顺序如何，该想法是在图15中，在每个给定时间访问或寻址不超过一个量子位读出系统。
用于驱动量子位1550_1的量子位频率的第一微波信号被发送到宽带环行器/定向耦合器1505，将第一微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_1。1-N量子开关/路由器100_1(经由可调滤波器20)被配置以将第一微波信号经由传输线30_1路由到谐振器量子位系统的阵列1520中的量子位1550_1。1-N量子开关/路由器100_1中的每个可调滤波器20被预先配置或在运行中配置，以根据所执行的操作将第一至最后微波信号中的特定一个路由到相应的一个量子位1550，使得每个微波信号被路由到其对应的具有匹配的量子位频率的量子位1550。因此，存在连接到相应传输线30_1至30_N的可调滤波器20，使得一个可调滤波器20被配置为将预期的微波信号路由到其预期的(一个)量子位1550，因为量子位频率满足可调滤波器的传输。每个传输线30_1至30_N连接到相应的可调滤波器20。由于量子位1550_1的量子位频率的微波信号已经在传输线30_1上由1-N量子开关/路由器100_1路由到量子位1550_1，量子位1550_1被量子位1550_1的量子位频率的第一微波信号驱动到一个状态。
类似地，在输入IN1处，为了驱动量子位1550_2，在时间t2将与量子位1550_2匹配的量子位频率的第二微波信号发送到宽带环行器/方向耦合器1505，然后将第二微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_1，1-N量子开关/路由器100_1将第二微波信号经由可调滤波器20(配置为通过量子位1550_2的量子位频率)路由到谐振器量子位系统的阵列1520中的量子位1550_2。由于量子位1550_2的量子位频率的微波信号已经在传输线30_2上由1-N量子开关/路由器100_1路由到量子位1550_2，量子位1550_2被量子位1550_2的匹配量子位频率的第二微波信号驱动到一个状态。
类似地，为了驱动量子位1550_N，在输入IN1，在时间tN将与量子位1550_N匹配的量子位频率的最后一个微波信号发送到宽带环行器/方向耦合器1505，然后将最后一个微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_1，1-N量子开关/路由器100_1将最后一个微波信号经由可调滤波器20(配置为通过量子位1550_N的量子位频率)路由到谐振器量子位系统的阵列1520中的量子位1550_N。由于量子位1550_N的量子位频率的微波信号已经在传输线30_N上由1-N量子开关/路由器100_1路由到量子位1550_N，量子位1550_N被量子位1550_N的量子位频率的最后一个微波信号驱动到一个状态。该时间复用过程可用于驱动图15-18中的量子位。
如上所述，在不同的时间t1，t2，...tN，每个单独的量子位1550_1至1550_N可以由相应的第一至最后一个微波信号驱动到期望的量子位1550_1至1550_N。根据定时方案，每次一个地驱动量子位1550_1至1550_N中的每一个。注意，当操作器(或控制器)执行相邻量子位之间的门操作(交叉谐振门)时，在一个实现中，操作器(或控制器)可以以其邻居之一的频率向某个量子位发送量子位脉冲(不是它自己的频率)。在驱动量子位1550_1至1550_N的每一个之后，存在反射的微波信号。对于量子位1550_1给出了示例情况，但通过类比应用于量子位1550_2至1550_N。在驱动量子位1550_1之后，量子位1550_1的量子位频率的第一微波信号在传输线30_1上被反射回1-N量子开关/路由器100_1中的连接的可调滤波器20。由于连接到传输线30_1的可调滤波器20被配置为传递量子位1550_1的第一微波信号，因此1-N量子开关/路由器100_1将反射的第一微波信号(经由单个端口)输出到宽带环行器/定向耦合器。环行器/定向耦合器1505将反射的(输出的)第一微波信号向上(根据箭头)引导到1-2量子开关100_2。量子开关100_2被配置为通过使用其可调滤波器20将反射的第一微波信号输出到冷/负载转储器1510。量子开关100_2具有2个可调滤波器20，一个连接以将作为(如上所述)驱动脉冲的反射微波信号传递到冷/负载转储器1510，一个连接以将作为读出脉冲的反射微波信号传递到宽带量子限制放大器350(如下面进一步讨论的)。如本文所讨论的，可调滤波器20可以被调谐以经由相应的磁通线730传递或拒绝期望的频率。
现在，转向讨论如何通过读取在谐振器量子位系统的阵列1520中对应的读出谐振器1555_1至1555_N来单独读出量子位1550_1至1550_N。本领域技术人员可以理解的，通过读出读出谐振器以获得量子信息(状态)来读出量子位，并且在系统1500中讨论用于以反射模式进行读出的一个或多个实施例。
在一个实现中，读出谐振器1555_1至读出谐振器1555_N的每一个可以具有自己的读出谐振器频率，使得谐振器量子位系统1520N的阵列中的每个读出谐振器频率彼此不同。在另一实施方式中，读出谐振器频率不需要不同，并且它们中的一些可以不同而一些可以相同，因为1-N量子开关100_1被配置为指示读出脉冲的微波信号指向的位置。以下讨论针对读出频率的第一微波信号(例如，在时间t1'读出读出谐振器1555_1)，但是类似地应用于读出谐振器频率的微波信号以读出读出谐振器1555_2至1555_N。在输入IN1，为了驱动所需的读出谐振器1555，使用时分复用将微波信号发送到谐振器量子位系统的阵列1520。例如，在读出谐振器频率读出读出谐振器1555_1的第一微波信号在传输线30_1上在时间t1'发送，在读出谐振器频率读出读出谐振器1555_2的第二微波信号在传输线30_1在时间t2'发送，一直到在读出谐振器频率读出读出谐振器1555_N的最后一个微波信号在传输线30_N在时间tN'发送。定时由控制器根据所执行的操作或应用来确定，并且时间不相等。
在时间t1'，读取(即，谐振)读出谐振器1555_1的读出频率的第一微波信号被发送到宽带环行器/定向耦合器1505，将第一微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_1。1-N量子开关/路由器100_1被配置(经由可调滤波器20)经由传输线30_1将第一微波信号路由到谐振器量子位系统的阵列1520中的读出谐振器1555_1。1-N量子开关/路由器100_1中的每个可调滤波器20可以被配置(预先和/或在运行中由控制器)以将第一至最后一个微波信号中的特定一个路由到相应的一个读出谐振器1555，使得每个微波信号被路由到相应的读出谐振器1555。因此，存在连接到相应传输线30_1至30_N的可调滤波器20，使得一个可调滤波器20被配置为将预期的微波信号路由到其预期的(一个)读出谐振器1555，因为信号频率满足连接到预期读出谐振器1555的可调滤波器20的传输(以及预期的量子位1550，因为量子位信号频率满足连接到预期的量子位1550的相同可调滤波器20的传输)。传输线30_1至30_N的每一个连接到1-N量子开关/路由器100_1中的相应可调滤波器20。正如通过发送到量子位1550_1的第一微波信号将量子位1550_1驱动到一个状态那样，由于发送到量子位1550_1的微波信号频率已经由1-N量子交换机/路由器100_1在传输线30_1上路由到量子位1550_1，由于用于读出谐振器1555_1的读出谐振器频率的微波信号已经由1-N量子开关/路由器100_1在传输线30_1上路由到读出谐振器1555_1，读出谐振器1555_1由发送到读出谐振器1555_1的第一微波信号读取。换言之，可以调谐连接到传输线30_1的可调滤波器20以传输用于量子位1550_1的量子位驱动脉冲和用于读出谐振器1555_1的读出脉冲，而1-N量子开关/路由器100_1中的所有其他可调滤波器20拒绝这些频率。
类似地，在输入IN1处，为了读取读出谐振器1555_2，将读出谐振器频率的第二微波信号在时间t2'发送到宽带环行器/方向耦合器1505，然后将第二微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_1，1-N量子开关/路由器100_1经由可调滤波器20(被配置为将信号频率传递以读取读出谐振器1555_2)将第二微波信号路由到谐振器量子位系统的阵列1520中的读出谐振器1555_2。读出谐振器1555_2由读出谐振器1555_2的读出谐振器频率读取，因为读出谐振器1555_2的读出谐振器频率的微波信号已经在传输线30_2上被1-N量子开关/路由器100_1路由到读出谐振器1555_2。正如通过发送到量子位1550_2的第一微波信号将量子位1550_2驱动到一个状态那样，由于发送到量子位1550_2的微波信号频率已经由1-N量子开关/路由器100_1在传输线30_2上路由到量子位1550_2，由于用于读出谐振器1555_2的读出谐振器频率的微波信号已经由1-N量子开关/路由器100_1在传输线30_2上路由到读出谐振器1555_2，读出谐振器1555_2由发送到读出谐振器1555_2的第一微波信号读取(即，使其谐振)。换言之，可以调谐连接到传输线30_2的可调滤波器20以传输用于量子位1550_2的量子位驱动脉冲和用于读出谐振器1555_2的读出脉冲，而1-N量子开关/路由器100_1中的所有其他可调滤波器20拒绝这些频率。
类似地，在输入IN1处，为了读取读出谐振器1555_N，将读出谐振器频率的最后一个微波信号在时间tN'发送到宽带环行器/方向耦合器1505，然后将最后一个微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_1,1-N量子开关/路由器100_1经由可调滤波器20(被配置为将信号频率传递以读取读出谐振器1555_N)将最后一个微波信号到谐振器量子位系统的阵列1520中的读出谐振器1555_N。读出谐振器1555_N由读出谐振器1555_N的读出谐振器频率读取，因为读出谐振器1555_N的读出谐振器频率的微波信号已经在传输线30_N上被1-N量子开关/路由器100_1路由到读出谐振器1555_N。正如通过发送到量子位1550_N的第一微波信号将量子位1550_N驱动到一个状态那样，由于发送到量子位1550_N的微波信号频率已经由1-N量子开关/路由器100_1在传输线30_N上路由到量子位1550_N，由于用于读出谐振器1555_N的读出谐振器频率的微波信号已经由1-N量子开关/路由器100_1在传输线30_N上路由到读出谐振器1555_N，读出谐振器1555_N由发送到读出谐振器1555_N的第一微波信号读取。换言之，可以调谐连接到传输线30_N的可调滤波器20以传输用于量子位1550_N的量子位驱动脉冲和用于读出谐振器1555_N的读出脉冲，而1-N量子开关/路由器100_1中的所有其他可调滤波器20拒绝这些频率。
如上所述，每个单独的读出谐振器1555_1至1555_N可以通过在不同的时间t1'，t2'，...tN'发送到期望的读出谐振器1555_1至1555_N的相应的第一至最后一个微波信号来读取。根据定时方案一次一个地读取每个读出谐振器1555_1至1555_N。在读取每个读出谐振器1555_1至1555_N(即，使其谐振)之后，存在反射的微波信号。对于读出谐振器1555_1给出了示例情况，但通过类比应用于读出谐振器1555_2至1555_N。在读取读出谐振器1555_1之后，读出谐振器1555_1的读出谐振器频率的第一微波信号在传输线30_1上被反射回1-N量子开关/路由器100_1中的连接的可调滤波器20。由于连接到传输线30_1的可调滤波器20被配置为以读出谐振器1555_1的读出谐振器频率传递第一微波信号，因此1-N量子开关/路由器100_1将反射的第一微波信号(经由单个端口)输出到宽带环行器/定向耦合器1505。宽带环行器/定向耦合器1505将反射(输出的)第一微波信号引导到1-2量子开关100_2。量子开关100_2被配置为通过穿过连接在输出到宽带量子限制放大器350的端口上的可调滤波器20，将反射的第一微波信号输出到宽带量子限制放大器350。如上所述，量子开关100_2具有2个可调滤波器20，一个连接以将作为驱动脉冲的反射微波信号传递，另一个连接以将作为读出脉冲的反射微波信号传递。
1-2量子开关100_2和冷/负载转储器1510是可选的并且用虚线示出。在一个实施例中，宽带环行器/定向耦合器1505可以直接连接到宽带量子限制放大器350，并且没有1-2量子开关100_2和冷/负载转储器1510。在这种情况下，当来自任何读出谐振器1555_1至1555_N的反射微波信号(即，反射读出脉冲)从环行器1505进入宽带量子限制放大器350时，打开到宽带量子限制放大器350的泵驱动，使得来自读出谐振器1555的反射微波信号(即，反射的读出脉冲)被放大。当来自任何量子位1550_1至1550_N的反射微波信号(即，反射驱动/量子位脉冲)从循环器1505进入宽带量子限制放大器350时，关闭到宽带量子限制放大器350的泵驱动，使得来自量子位1550的反射微波信号(反射的驱动/量子位脉冲)不被放大。定时方案由控制器预先确定或动态确定，用于打开到宽带量子限制放大器350的泵以放大来自读出谐振器1555的反射微波信号(即，反射读出脉冲)并且用于(存在反射驱动/量子位脉冲时)关闭泵。根据本文所讨论的实施例，控制器可以包括具有计算机可执行指令的存储器和被配置为执行计算机可执行指令的一个或多个处理器。
在图15中，图15中的超导量子开关/路由器的特性可以具有接近单位传输>-0.04dB，反射小于-20dB，并且较大的开/关比>20dB。在系统1500的设计中，超导量子开关/路由器是无损耗、快速切换(～ns)、可扩展到两个以上端口、具有大于-80dBm的大动态范围以支持交叉共振微波脉冲，并具有宽带(覆盖在谐振器量子位系统的阵列1520中使用的量子位和读出频率)。
图16是根据一个或多个实施例的用于量子位驱动和量子位读出(两者)的系统1600。系统1600示出了在反射中操作，其中量子位和量子位脉冲的读出使用不同的输入和输出(I/O)线(即，传输线)。在这种情况下，输入IN1用于读出读出谐振器1555，而输入IN2用于驱动量子位1550。系统1600包括与系统1500相同的元件，除了系统1600不包括图15的1-2量子开关。系统1600包括指定为1505_1和1505_2的两个宽带环行器/定向耦合器，包括指定为100_1和100_2的两个1-N量子开关路由器，并包括指定为输入IN1和输入IN2的两个输入线。
为了便于理解而非限制的，系统1600中的某些特征结合读出侧和量子位控制/驱动侧讨论。在读出侧，输入IN1通过端口连接到宽带环行器/定向耦合器1505_1，并且通过另一个端口，宽带环行器/定向耦合器1505_1连接到用于读出读出谐振器1555的1-N量子开关/路由器100_1。用于读出的1-N量子开关/路由器100_1经由传输线30_1至30_N连接到谐振器量子位系统的阵列1520，如上所述。当反射来自读出谐振器1555_1至1555_N的读出脉冲时，宽带环行器/定向耦合器1505_1连接到宽带量子限制放大器350。
在量子位控制/驱动侧，输入IN2通过一个端口连接到宽带环行器/定向耦合器1505_2，并且通过另一个端口，宽带环行器/定向耦合器1505_2连接到用于驱动/控制量子位1550的1-N量子开关/路由器100_2。用于量子位确定/控制的1-N量子开关/路由器100_2通过传输线30_1至30_N连接到谐振器量子位系统的阵列1520，如上所述。当反射驱动脉冲时，宽带环行器/定向耦合器1505_2连接到冷/负载转储器1510。
量子位1550的驱动和读出谐振器1555的读出类似于图15中的系统1500，除了用于输入IN1以输入读出脉冲和用于输入IN2以输入量子位/驱动脉冲的两个单独的馈线(传输线)。图16的系统1600中，以下讨论针对应用于量子位1550_1(例如，在时间t1驱动量子位1550_1)的第一微波信号，但是通过类比应用于驱动量子位1550_2至1550_N的量子位信号频率的微波信号。在输入IN2处，为了驱动期望的量子位1550，使用时分复用将微波信号发送到谐振器量子位系统的阵列1520。例如，在传输线30_1上在时间t1发送用于驱动量子位1550_1的第一微波信号，在传输线30_1上在时间t2发送用于驱动量子位1550_2的第二微波信号，一直到在传输线30_N上在时间tN发送驱动量子位1550_N的最后一个微波信号。
在图16中，驱动量子位1550_1的第一微波信号被发送到宽带环行器1505_2，宽带环行器1505_2将第一微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_2。1-N量子开关/路由器100_2(通过可调滤波器20)被配置以将第一微波信号经由量子位控制/驱动侧的传输线30_1路由到谐振器量子位系统的阵列1520中的量子位1550_1。1-N量子开关/路由器100_1中的每个可调滤波器20被配置(例如，由控制器预先和/或在运行中确定)以根据其量子位信号频率路由第一到最后一个微波信号中的特定一个，使得每个微波信号被路由到其相应的量子位1550。因此，在量子位控制/驱动侧存在连接到相应的传输线30_1至30_N的可调滤波器20，使得可调滤波器20配置成将预期的微波信号路由到其预期的量子位1550，因为量子位信号频率满足连接到预期的量子位1550的可调滤波器20的传输。每个传输线30_1至30_N分别连接到1-N量子开关/路由器100_2的相应可调滤波器20。通过发送到量子位1550_1的第一微波信号将量子位1550_1驱动到一个状态，因为量子位1550_1的微波信号已经通过1-N量子开关/路由器100_2在传输线30_1(量子位驱动侧)上路由到量子位1550_1。
类似地，在输入IN2处，为了驱动量子位1550_2，发送到量子位1550_2的第二微波信号在时间t2被发送到宽带环行器/方向耦合器1505_2，然后宽带环路器/方向耦合器1505_2将第二微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_2，1-N量子开关/路由器100_2经由可调滤波器20(被配置为通过量子位1550_2的量子位信号频率)路由第二微波信号到谐振器量子位系统的阵列1520中的量子位1550_2。由于发送到量子位1550_2的微波信号已经通过1-N量子开关/路由器100_2在量子位驱动侧的传输线30_2上路由到量子位1550_2，因此量子位1550_2被用于量子位1550_2的第二微波信号驱动到一个状态。
类似地，在输入IN2处，为了驱动量子位1550_N，发送到量子位1550_N的最后一个微波信号在时间tN被发送到宽带环行器/方向耦合器1505_2，然后宽带环路器/方向耦合器1505_2将最后一个微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_2，1-N量子开关/路由器100_2通过可调滤波器20(被配置为通过量子位1550_N的量子位信号频率)路由最后一个微波信号到谐振器量子位系统的阵列1520中的量子位1550_N。由于发送到量子位1550_N的微波信号已经通过1-N量子开关/路由器100_2在量子位驱动侧的传输线30_N上路由到量子位1550_N，因此量子位1550_N被用于量子位1550_N的最后一个微波信号驱动到一个状态。
如上所述，每个单独的量子位1550_1至1550_N可以通过在不同的时间t1，t2，...tN发送到期望量子位1550_1至1550_N的相应的第一到最后一个微波信号在量子位驱动侧上在输入IN2上驱动(注意，图15中使用了输入IN1)。根据定时方案，每次一个地驱动量子位每个1550_1至1550_N。在驱动每个量子位1550_1至1550_N之后，存在反射的微波信号。如上所述，对于量子位1550_1给出了示例情况，但是通过类比应用于量子位1550_2至1550_N。在驱动量子位1550_1之后，发送到量子位1550_1的第一微波信号(在量子位驱动/控制侧)在传输线30_1上被反射回到1-N量子开关/路由器100_2中的连接的可调滤波器20。由于连接到(量子位驱动侧)传输线30_1的可调滤波器20被配置为通过量子位1550_1的第一微波信号的频率，因此1-N量子开关/路由器100_2输出反射的第一微波信号(通过单端口)到宽带环行器/定向耦合器1505_2。宽带环行器/定向耦合器1505_2将反射的(输出的)第一微波信号引导到冷负载/转储器1510。然而，与图15相比,图16中没有使用1-2量子开关因为图16具有单独的输入IN1和IN2。如本文所讨论的，可调滤波器20可以被调谐以经由相应的磁通线730通过或拒绝期望的频率。
现在，转向讨论通过读取谐振器量子位系统的阵列1520中的它们各自的读出谐振器1555_1至1555_N来单独读出量子位1550_1至1550_N，这是使用读出侧的输入IN1完成的。
以下讨论针对读出频率的第一微波信号(例如，在时间t1'读出读出谐振器1555_1)，但是通过类比应用于读出谐振器频率的微波信号以读出读出谐振器1555_2至读出谐振器1555_N。在输入IN1，为了驱动期望的读出谐振器1555，使用时分复用将微波信号发送到谐振器量子位系统1520的阵列。例如，读出读出谐振器1555_1的读出频率的第一微波信号在读出侧的传输线30_1上的时间t1'发送，读出读出谐振器1555_2的读出频率的第二微波信号在读出侧的传输线30_1上的时间t2'发送，一直到读出读出谐振器1555_N的读出频率的最后一个微波信号在读出侧的传输线上30_N的时间tN'发送。。
在时间t1'，读出读出谐振器1555_1的读出频率的第一微波信号被发送到宽带环行器1505_1，宽带环行器1505_1将第一微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_1。1-N量子开关/路由器100_1(经由可调滤波器20)被配置将第一微波信号经由读出侧的传输线30_1路由到谐振器量子位系统的阵列1520中的读出谐振器1555_1。1-N量子开关/路由器100_1中的每个可调滤波器20被配置(例如，由控制器预先和/或在运行中确定)根据它的读出频率将第一至最后一个微波信号中的特定一个路由到读出谐振器1555相应的一个，使得每个微波信号被路由到相应的读出谐振器1555。因此，在读出侧存在连接到相应传输线30_1至30_N的可调滤波器20，使得一个可调滤波器20被配置将预期的微波信号路由到预期的(一个)读出谐振器1555，因为读出频率满足连接到预期的读出谐振器的可调滤波器20的传输。在图16中，1-N量子开关/路由器100_1中的这一个可调滤波器20需要以谐振器1555_1的读出频率传递第一微波信号，但不需要配置为传递具有匹配连接到读出谐振器1555_1的预期量子位1550_1的量子位频率的任何微波信号。读出侧的每个传输线30_1至30_N连接到1-N量子开关/路由器100_1中的相应可调滤波器20。
类似地，在读出侧的输入IN1，为了读取读出谐振器1555_2，读取谐振器1555_2的读出频率的第二微波信号在时间t2'被发送到宽带环行器/方向耦合器1505_1，宽带环行器/方向耦合器1505_1然后将第二微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_1。1-N量子开关/路由器100_1经由可调滤波器20(被配置为通过读出谐振器1555_2的读出频率)路由第二微波信号到谐振器量子位系统1520阵列中的读出谐振器1555_2。读出谐振器1555_2由用于读出谐振器1555_2的读出频率的第二微波信号读取，因为用于读出谐振器1555_2的读出频率的微波信号已经由1-N量子开关/路由器100_1在读出侧的传输线30_2上路由到读出谐振器1555_2。
同样地，在读出侧的输入IN1，为了读取读出谐振器1555_N，读出谐振器1555_N的读出频率的最后一个微波信号在时间tN'被发送到宽带环行器/方向耦合器1505_1，宽带环行器/方向耦合器1505_1然后将最后一个微波信号引导到1-N量子开关/路由器100_1。1-N量子开关/路由器100_1经由可调滤波器20(被配置为通过读出谐振器1555_N的量子位频率)路由最后一个微波信号到谐振器量子位系统的阵列1520中的读出谐振器1555_N。读出谐振器1555_N由用于读出谐振器1555_的读出频率的最后一个微波信号读取，因为用于读出谐振器1555_N的读出频率的微波信号已经由1-N量子开关/路由器100_1在读出侧的传输线路30_N上路由到读出谐振器1555_N。
如上所述，每个单独的读出谐振器1555_1至1555_N可以在不同的时间t1'，t2'，...tN’由具有匹配的读出频率的相应的第一至最后一个微波信号读取到期望的读出谐振器1555_1至1555_N。根据定时方案一次一个地读取每个读出谐振器1555_1至1555_N。在读取每个读出谐振器1555_1至1555_N(即，使其谐振)之后，存在反射的微波信号。对于读出谐振器1555_1给出了示例情况，但通过类比应用于读出谐振器1555_2至1555_N。在读取读出谐振器1555_1之后，谐振器量子位系统1520的读出谐振器1555_1的读出频率的第一微波信号在传输线30_1(在读出侧)被反射回到1-N量子开关/路由器100_1中的连接的可调滤波器20。由于连接到传输线30_1(在读出侧)的可调滤波器20被配置为(例如，由控制器预先和/或在运行中确定)以读出谐振器1555_1的读出频率传递第一微波信号，因此1-N量子开关/路由器100_1将反射的第一微波信号(通过单个端口)输出到宽带环行器/定向耦合器1505_1。宽带环行器/定向耦合器1505_1将反射的(输出的)第一微波信号引导到宽带量子限制放大器350。如上所述，1-N量子开关/路由器100_1引导反射的微波信号(即，来自各个读出谐振器1555_1至到1555_N的反射的读出脉冲)到宽带量子限制放大器350以进行放大。
类似地，每个反射的微波信号(从各个量子位1550_1至1550_N反射到量子位驱动侧的传输线30_1至30_N上的驱动脉冲)从谐振器量子位系统的阵列1520发送回1-N量子开关/路由器100_2。1-N量子开关/路由器100_2将驱动脉冲的反射微波信号发送到宽带环行器/定向耦合器1505_2，宽带环行器/定向耦合器1505_2然后将驱动脉冲的反射微波信号引导到冷/负载转储器1510。
图16中的系统1600相比系统1500的技术益处可以包括以下内容。1)读出侧的1-N量子开关/路由器100_1可以与量子位控制侧的1-N量子开关/路由器100_2不同地设计。2)不需要将输出的读出和量子位脉冲路由到不同的路径，也不需要将脉冲施加到宽带量子限制放大器的泵。使用系统1600(与系统1500相反)的折衷是输入线的数量是两倍(2x)，循环器的数量是两倍(2x)，以及1-N量子开关/路由器的数量是两倍(2x)。
图17是根据一个或多个实施例的用于量子位驱动和量子位读出(两者)的系统1700。系统1700示出了在反射中操作，其中利用读出脉冲的读出谐振器的读出(以读取量子位)和利用量子位脉冲的量子位的驱动/控制使用不同的输入和输出(I/O)线(即，传输线)。
在图16中已经讨论的分别驱动谐振器量子位系统的阵列1520中的量子位1550_1至1550_N的输入微波信号作为量子位驱动脉冲的操作，也适用于图17类似地，图16中已经讨论的将量子位驱动脉冲的反射微波信号传输到冷/负载转储器1510的过程，也适用于图17。
在读出侧，图17中的系统1700中的信号分配器(组合器)1000_1已经替换了图16中的1-N量子开关/路由器100_1。在系统1700中，第一至最后一个微波信号在(读出谐振器1555_1至1555_N)的读出频率可以全部通过在读出侧的输入IN1的频分复用和/或在(读出谐振器1555_1至1555_N)期望的(读出谐振器1555_1至1555_N)读出频率的任何期望的微波信号同时施加。读出谐振器频率的第一至最后一个微波信号被引导到宽带环行器/定向耦合器1505_1，宽带环行器/定向耦合器1505_1然后将(读出谐振器1555_1到1555_N)读出谐振器频率的第一至最后一个微波信号引导到信号分配器设备1000_1。信号分配器设备1000_1被配置为利用频分复用来(同时)接收单个端口上的不同微波信号的不同读出谐振器频率，并且被配置为(同时)将用于第一至最后一个微波信号的不同读出谐振器频率分配到连接到谐振器量子位系统的阵列1520的多个传输线30_1到30_N上。信号分配器设备1000_1的各个带通滤波器105_1至105_N分别(经由端口)连接到(读出侧)传输线30_1到30_N，使得带通滤波器105_1连接到(读出侧)传输线30_1，一直到带通滤波器105_N连接到(读出侧)传输线30_N。因此，并行地，信号分配器设备1000_1被配置为经由传输线30_1将具有读出谐振器1555_1的读出谐振器频率的第一微波信号引导到读出谐振器1555_1，以经由传输线30_2将具有读出谐振器1555_2的读出谐振器频率的第二微波信号引导到读出谐振器1555_2，以及经由传输线30_N将具有读出谐振器1555_N的读出谐振器频率的最后一个微波信号引导读出谐振器1555_N。这是因为每个带通滤波器105预先单独地配置为传递用于微波信号的(读出谐振器1555中的单独一个的)读出谐振器频率中的单个一个，使得带通滤波器105_1被配置为通过读出谐振器1555_1的读出频率的第一微波信号，带通滤波器105_2被配置为通过读出谐振器1555_2的读出频率的第二微波信号，以及带通滤波器105_N被配置为通过出谐振器1555_N的读出频率的最后一个微波信号。因此，读出谐振器1555_1至1555_N的读出谐振器频率的第一至最后一个微波信号的每个分别使得其读出谐振器1555_1至1555_N中的相应一个谐振，从而(同时)将反射的第一至最后一个微波信号反射回到传输线30_1至30_N以到达信号分配器设备1000_1。应当注意，它们可以并行(同时)执行，但不要求同时执行读出或者在第二轮测量之前测量所有读数。返回到示例场景，信号分配器设备1000_1组合反射的(读出谐振器1555_1到1555_N的相应读出谐振器频率的)第一至最后一个微波信号并将组合的反射微波信号输出到宽带环行器/定向耦合器1505_1。宽带环行器/定向耦合器1505_1将组合的反射的(分别在读出谐振器1555_1到1555_N的读出谐振器频率的)第一至最后一个微波信号引导到宽带量子限制放大器350。
用(作为量子位驱动/控制脉冲)微波信号驱动量子位的过程与图16中的相同，并且在图17中不再重复。超导微波信号分配器1000_1的内部细节可以在图10-14中讨论的超导微波信号分配器/组合器设备1000的找到。
图17(例如，使用超导无损和匹配信号分配器设备1000)与图15和图16相比的技术益处包括1)读出谐振器的同时读出，以及2)不需要将输出的读出和量子位脉冲路由到不同的路径。使用系统1700(与系统1500相反)的折衷是输入线的数量是两倍(2x)，循环器的数量是两倍(2x)，以及1-N量子开关/路由器的数量是两倍(2x)。
图18是根据一个或多个实施例的用于量子位驱动和量子位读出(两者)的系统1800。系统1800示出了在传输模式下的读出。系统1800具有不同的输入和输出(I/O)线(即，传输线)，用于利用读出脉冲的读出谐振器(以读取量子位)的读出以及利用量子位脉冲的量子位的驱动/控制。系统1800可以与系统1700相同，除了在系统1800中，使用第二无损和匹配信号组合器设备(其使用频分复用)在传输中测量量子位的读出。
在图17的系统1700中，反射的微波信号(作为读出信号)通过微波信号分配器设备1000_1传回。然而，在图18中，作为(读出谐振器频率的)读出信号的微波信号被发送到微波信号组合器设备1000_2，微波信号组合器设备1000_2组合读出谐振器频率的每个发送的微波信号并输出组合的微波信号到宽带量子限制放大器350用于放大和后续测量。
因为微波信号的输入IN2的输入作为用于量子位1550的量子位控制/驱动脉冲，并且用于量子位控制/驱动脉冲的微波信号的反射与图16和17中所讨论的相同，图18中不重复对量子位驱动/控制的讨论。
现在在图18中讨论传输模式中的读出的示例。在系统1800中，(读出谐振器1555_1至1555_N的)读出谐振器频率的第一至最后一个微波信号可以在读出侧的输入IN1通过频分复用同时施加。(读出谐振器1555_1至1555_N的)读出谐振器频率的第一至最后一个微波信号被引导到宽带环行器/定向耦合器1505_1，如前所述，宽带环行器/定向耦合器1505_1然后将(读出谐振器1555_1至1555_N的)读出谐振器频率的第一至最后一个微波信号引导到信号分配器设备1000_1。信号分配器设备1000_1被配置为利用频分复用来(同时)接收单个端口上的不同微波信号的不同读出谐振器频率，并且被配置为(同时)将第一至最后一个微波信号(根据它们的读出谐振器1555_1至1555_N的读出谐振器频率)分配到连接到谐振器量子位系统的阵列1520上的多个传输线30_1至30_N上。信号分配器设备1000_1的各个带通滤波器105_1至105_N分别(通过端口)连接到(读出侧)传输线30_1至30_N，使得带通滤波器105_1连接到(读出侧)传输线30_1，一直到带通滤波器105_N连接到(读出侧)传输线30_N。
因此，并行地，信号分配器设备1000_1被配置为经由传输线30_1将具有读出谐振器1555_1的读出谐振器频率的第一微波信号引导到读出谐振器1555_1，以经由传输线30_2将具有读出谐振器1555_2的读出谐振器频率的第一微波信号引导到读出谐振器1555_2，并经由传输线30_N将具有读出谐振器1555_N的读出谐振器频率的第一微波信号引导到读出谐振器1555_N。
这是因为每个带通滤波器105预先单独地配置通过匹配用于微波信号的读出谐振器1555的单独一个的读出谐振器频率的单独一个，使得带通滤波器105_1被配置为通过读出谐振器1555_1的读出频率的第一微波信号，带通滤波器105_2被配置为通过读出谐振器1555_2的读出频率的第二微波信号，一直到带通滤波器105_N被配置为通过读出谐振器1555_N的读出频率的最后一个微波信号。因此，读出谐振器1555_1至1555_N的读出谐振器频率的第一至最后一个微波信号的每一个使得对应的读出谐振器1555_1至1555_N中的相应一个谐振，从而(同时)通过传输线向上传输第一至最后一个微波信号，到达信号分配器设备1000_2。
信号分配器设备1000_2组合(读出谐振器1555_1至1555_N的相应读出谐振器频率的)第一至最后一个微波信号并且(同时)在单个传输线上将组合的反射微波信号输出至宽带量子限制放大器350用于放大及后来的测量。
超导微波信号分配器/组合器1000_1和1000_2的内部细节可以在图10-14中讨论的超导微波信号分配器/组合器设备1000的讨论中找到。
使用图18中的系统1800的技术益处包括1)读出谐振器的同时读出和2)在读出侧不需要循环器。
图19是根据一个或多个实施例的配置用于量子位驱动和读出的系统1500的方法的流程图1900。在框1905，第一无损微波开关100_1(图15中)连接到量子系统(例如，谐振器量子位系统1520的阵列)。在框1910，第二无损微波开关100_2(在图15中)可连接到第一无损微波开关100_1。在框1915，量子限制放大器350可连接到第二无损微波开关100_2。
环行器1505被配置为将第一无损微波开关100_1连接到图15中的第二无损微波开关100_2。环行器1505被配置为将输入IN1连接到第一无损微波开关100_1。第二无损微波开关100_2被配置为在连接到量子限制放大器350和连接到图15中的负载转储器1510之间进行选择。量子系统(例如，谐振器量子位系统的阵列1520)包括在第一端口处连接到第一读出谐振器1555_1的第一量子位1550_1，在第二端口处连接到第二读出谐振器1555_2的第二量子位1550_2，一直到在最后一个端口处连接到最后一个读出谐振器1555_N的最后一个量子位1550_N，第一个至最后一个量子位1550_1至1550_N的每一个分别具有第一至最后一个量子位频率。
图20是根据一个或多个实施例的配置用于量子位驱动和读出的系统1600的方法的流程图2000。在框2005，第一无损微波开关100_1连接到量子系统(例如，谐振器量子位系统的阵列1520)，其中第一输入IN1可连接到第一无损微波开关100_1，并且量子限制放大器350可连接到图16的第一无损微波开关100_1。在框2010，第二无损微波开关100_2连接到量子系统(例如，谐振器量子位系统的阵列1520)，其中第二输入IN2可连接到第二无损微波开关100_2，其中第二输入IN2被配置为驱动量子系统，并且第一输入IN1被配置为读出图16的量子系统。
参考图16，第一环行器1505_1被配置为将第一输入IN1连接到第一无损微波开关100_1并且被配置为将量子限制放大器350连接到第一无损微波开关100_1。第二循环器1505_2被配置为将第二输入IN2连接到第二无损微波开关100_2并且将负载转储器1510连接到图16中的第二无损微波开关100_2。量子系统(例如，谐振器量子位系统1520的阵列)包括连接到第一端口处的第一读出谐振器1555_1的第一量子位1550_1，连接到第二端口处的第二读出谐振器1555_2的第二量子位1550_2，一直到连接到最后一个端口处的最后一个读出谐振器1555_N的最后一个量子位1550_N，第一至最后一个量子位1550_1至1550_N中的每一个分别具有第一至最后一个量子位频率。通过第二无损微波开关100_2驱动第一至最后一个量子位1550_1至1550_N，并且经由第一无损微波开关100_1读出第一至最后一个读出谐振器1555_1至1555_N。
图21是根据一个或多个实施例的配置用于量子位驱动和读出的系统1700的方法的流程图2100。在框2105，无损微波信号分配器1000_1连接到量子系统(例如，谐振器量子位系统的阵列1520)，其中第一输入IN1可连接到图17中的无损微波信号分配器1000_1。在框2110，无损微波开关100_2连接到量子系统(例如，谐振器量子位系统的阵列1520)，其中第二输入IN2可连接到无损微波开关100_2。第二输入IN2被配置为经由无损微波开关100_2驱动量子系统(例如，谐振器量子位系统的阵列1520)，并且第一输入IN1被配置为经由无损微波信号分配器1000_1读出量子系统。
第一环行器1505_1被配置为将第一输入IN1连接到无损微波信号分配器1000_1，并且被配置为将量子限制放大器350连接到图17中的无损微波信号分配器1000_1。第二环行器1505_2被配置为将第二输入IN2连接到无损微波开关100_2，并将负载转储器1510连接到无损微波开关100_2。量子系统(例如，谐振器量子位系统的阵列1520)包括在第一端口处连接到第一读出谐振器1555_1的第一量子位1550_1，在第二端口处连接到第二读出谐振器1555_2的第二量子位1550_1，一直到在最后一个端口处连接到最后一个读出谐振器1555_N的最后一个量子位1550_N，第一至最后一个量子位1550_1至1550_N中的每一个分别具有第一至最后一个量子位频率。第一至最后一个量子位1550_1至1550_N通过无损微波开关100_2驱动，而第一至最后一个读出谐振器1555_1至1555_N通过无损微波信号分配器1000_1读出。
图22是根据一个或多个实施例的用于配置用于量子位驱动和读出的系统1800的方法的流程图2200。在框2205，无损微波信号分配器1000_1连接到量子系统(例如，谐振器量子位系统的阵列1520)，其中第一输入IN1连接到图18中的无损微波信号分配器1000_1。在框2210，无损微波开关100_2连接到量子系统(例如，谐振器量子位系统的阵列1520)，其中第二输入IN2可连接到图18中的无损微波开关100_2。第二输入IN2被配置为经由无损微波开关100_2驱动量子系统。在框2215，无损微波信号组合器1000_2连接到量子系统，其中第一输入IN1被配置为经由图18中的无损微波信号分配器1000_1和无损微波信号组合器1000_2读出量子系统。
量子限制放大器350连接到无损微波信号组合器1000_2，以放大读出脉冲的发送微波信号。环行器1505_2被配置为将第二输入IN2连接到无损微波开关100_2，并将负载转储器1510连接到图18中的无损微波开关100_2。量子系统(例如，谐振器量子位系统的阵列1520)包括在第一端口处连接到第一读出谐振器1555_1的第一量子位1550_1，在第二端口处连接到第二读出谐振器1555_2的第二量子位1550_2，一直到在最后一个端口出连接到最后一个读出谐振器1555_N的最后一个量子位1550_N。通过无损微波开关100_2驱动第一至最后一个量子位1550_1-1550_N。可以经由无损微波信号分配器1000_1和无损微波信号组合器1000_2同时读出第一至最后一个读出谐振器1555_1-1555_N中的每一个。
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。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，或执行专用硬件和计算机指令的集合的基于专用硬件的系统来实现。
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 (20)

1.一种用于量子位驱动和读出的系统，该系统包括：
连接到量子系统的第一无损微波开关；
可连接到第一无损微波开关的第二无损微波开关；
以及可连接到第二无损微波开关的量子限制放大器。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包括环行器，被配置为将第一无损微波开关连接到第二无损微波开关。
3.如权利要求2所述的系统，其中环行器被配置为将输入连接到第一无损微波开关。
4.如权利要求1所述的系统，其中第二无损微波开关被配置为在连接到量子限制放大器和连接到负载转储器之间进行选择。
5.如权利要求1所述的系统，其中量子系统包括连接到第一端口处的第一读出谐振器的第一量子位，连接到第二端口处的第二读出谐振器的第二量子位，一直到连接到最后一个端口处的最后一个读出谐振器的最后一个量子位，第一至最后一个量子位的每一个分别具有第一至最后一个量子位频率。
6.一种用于量子位驱动和读出的系统，该系统包括：
连接到量子系统的第一无损微波开关，其中第一输入可连接到第一无损微波开关并且量子限制放大器可连接到第一无损微波开关；
连接到量子系统的第二无损微波开关，其中第二输入可连接到第二无损微波开关，其中第二输入配置为驱动量子系统并且第一输入配置为读出量子系统。
7.如权利要求6所述的系统，进一步包括第一环行器，被配置为将第一输入连接到第一无损微波开关并被配置为将量子限制放大器连接到第一无损微波开关。
8.如权利要求7所述的系统，其中第二环行器被配置为将第二输入连接到第二无损微波开关并将负载转储器连接到第二无损微波开关。
9.如权利要求6所述的系统，其中量子系统包括连接到第一端口处的第一读出谐振器的第一量子位，连接到第二端口处的第二读出谐振器的第二量子位，一直到连接到最后一个端口处的最后一个读出谐振器的最后一个量子位，第一至最后一个量子位的每一个分别具有第一至最后一个量子位频率。
10.如权利要求9所述的系统，其中第一至最后一个量子位是通过第二无损微波开关驱动的；以及
其中通过第一无损微波开关读出第一至最后一个读出谐振器。
11.一种用于量子位驱动和读出的系统，该系统包括：
连接到量子系统的无损微波信号分配器，其中第一输入可连接到无损微波信号分配器；以及
连接到量子系统的无损微波开关，其中第二输入可连接到无损微波开关，其中第二输入被配置为通过无损微波开关驱动量子系统并且第一输入被配置为通过无损微波信号分配器读出量子系统。
12.如权利要求11所述的系统，进一步包括第一环行器，被配置为将第一输入连接到无损微波信号分配器并被配置为将量子限制放大器连接到无损微波信号分配器。
13.如权利要求12所述的系统，其中第二环行器被配置为将第二输入连接到无损微波开关并将负载转储器连接到无损微波开关。
14.如权利要求11所述的系统，其中量子系统包括连接到第一端口处的第一读出谐振器的第一量子位，连接到第二端口处的第二读出谐振器的第二量子位，一直到连接到最后一个端口处的最后一个读出谐振器的最后一个量子位，第一至最后一个量子位的每个一分别具有第一至最后一个量子位频率。
15.如权利要求14所述的系统，其中第一至最后一个量子位是通过无损微波开关驱动的；和
其中，通过无损微波信号分配器读出第一至最后一个读出谐振器。
16.一种用于量子位驱动和读出的系统，该系统包括：
连接到量子系统的无损微波信号分配器，其中第一输入连接到无损微波信号分配器；
连接到量子系统的无损微波开关，其中第二输入可连接到无损微波开关，其中第二输入被配置为通过无损微波开关驱动量子系统；以及
连接到量子系统的无损微波信号组合器，其中第一输入配置成通过无损微波信号分配器和无损微波信号组合器读出量子系统。
17.如权利要求16所述的系统，进一步包括连接到无损微波信号组合器的量子限制放大器。
18.如权利要求16所述的系统，其中，环行器被配置为将第二输入连接到无损微波开关并将负载转储器连接到无损微波开关。
19.如权利要求16所述的系统，其中量子系统包括连接到第一端口处的第一读出谐振器的第一量子位，连接到第二端口处的第二读出谐振器的第二量子位，一直到连接到最后一个端口处的最后一个读出谐振器的最后一个量子位，第一至最后一个量子位的每一个分别具有第一至最后一个量子位频率。
20.如权利要求19所述的系统，其中第一至最后一个量子位是通过无损微波开关驱动的；和
其中，第一至最后一个读出谐振器中的每一个通过无损微波信号分配器和无损微波信号组合器同时读出。
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