CN110024292A - 量子限制约瑟夫森放大器 - Google Patents
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Abstract
一种涉及量子限制微波放大器的技术。约瑟夫森环形调制器(JRM)连接到第一集总元件谐振器。第一集总元件谐振器包括一个或多个第一集总元件。第二集总元件谐振器连接到JRM，第二集总元件谐振器包括一个或多个第二集总元件。JRM、第一集总元件谐振器和第二集总元件谐振器形成约瑟夫森参量转换器(JPC)。一个或多个第一集总元件和一个或多个第二集总元件具有相同的值，从而将JPC配置为光谱简并。
Description
背景技术
本发明涉及超导电子器件，更具体地，涉及在光谱简并信号和空闲(idler)模式之间具有空间分离的量子限制约瑟夫森放大器。
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，提供了一种量子限制微波放大器。放大器包括约瑟夫森环形调制器(JRM)和连接到JRM的第一集总元件谐振器。第一集总元件谐振器包括一个或多个第一集总元件。而且，放大器包括连接到JRM的第二集总元件谐振器。第二集总元件谐振器包括一个或多个第二集总元件。JRM、第一集总元件谐振器和第二集总元件谐振器形成约瑟夫森参量转换器(JPC)。一个或多个第一集总元件和一个或多个第二集总元件具有相同的值，从而将JPC配置为光谱简并。
根据一个或多个实施例，提供了一种配置量子限制微波放大器的方法。该方法包括提供JRM，并提供连接到JRM的第一集总元件谐振器，其中第一集总元件谐振器包括一个或多个第一集总元件。而且，该方法包括提供连接到JRM的第二集总元件谐振器，其中第二集总元件谐振器包括一个或多个第二集总元件。JRM、第一集总元件谐振器和第二集总元件谐振器形成JPC。一个或多个第一集总元件和一个或多个第二集总元件具有相同的值，从而将JPC配置为光谱简并。
根据一个或多个实施例，提供了一种用于通过测量远程纠缠量子位的系统。该系统包括JPC和连接到JPC的第一量子位谐振器系统。第一量子位谐振器系统包括耦合到第一读出谐振器的第一量子位。而且，该系统包括连接到JPC的第二量子位谐振器系统。第二量子位谐振器系统包括耦合到第二读出谐振器的第二量子位，并且JPC被配置为通过以频率X读出第一和第二读出谐振器来远程纠缠第一量子位和第二量子位。
根据一个或多个实施例，提供了一种配置用于通过测量远程纠缠量子位的系统的方法。该方法包括提供JPC，并提供连接到JPC的第一量子位谐振器系统。第一量子位谐振器系统包括连接到第一读出谐振器的第一量子位。而且，该方法包括提供连接到JPC的第二量子位谐振器系统，其中第二量子位谐振器系统包括连接到第二读出谐振器的第二量子位。JPC被配置为通过以频率X读出第一和第二读出谐振器来远程纠缠第一量子位和第二量子位。
附图说明
图1是根据一个或多个实施例的用于超导约瑟夫森参量转换器的电路的示意图
图2是根据一个或多个实施例的使用约瑟夫森参量转换器远程纠缠量子位的系统的示意图。
图3是根据一个或多个实施例的配置量子限制微波放大器的方法的流程图。
图4是根据一个或多个实施例的用于配置用于通过测量远程纠缠量子位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量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，该微波读出腔耦合到处于对应于量子位状态的腔频率的量子位。传输(或反射)的微波信号经过多个阻止或降低噪声并提高信噪比所需的热隔离级和低噪声放大器。在室温下测量微波信号。返回/输出微波信号的幅度和/或相位携带关于量子位状态的信息，例如处于地或激发态或处于两种状态的叠加。微波读出为控制提供稳定的信号幅度，商业现货(COTS)硬件可用于覆盖大部分微波频率范围。
约瑟夫森环形调制器(JRM)是基于约瑟夫森隧道结的非线性色散元件，可以在量子极限处执行微波信号的三波混频。JRM由四个名义上相同的约瑟夫森结(JJ)组成，以惠斯通电桥配置排列。为了构建能够在量子极限处放大和/或混合微波信号的非简并参量设备，例如约瑟夫森参量转换器(JPC)，JRM被整合到他们的基本本征模式的RF电流反节点的两个微波谐振器中。正如在几个实验和理论工作中所证明的那样，这些JPC的性能，即功率增益、动态带宽和动态范围，在很大程度上取决于JRM的JJ的临界电流、电磁环境(即，微波谐振器)的具体实现，以及JRM和谐振器之间的耦合。
为了增强JPC的某些性能，已经实现并提出了各种微波谐振器，例如，共面带状线谐振器、微带谐振器、紧凑/集总元件谐振器和三维腔。在现有技术中，还建议通过例如使用铌结(niobium)和纳米棒(nanobridge)来增强形成JRM的JJ的临界电流来增强JPC的动态范围。此外，已经表明，通过用线性电感分流JRM的JJ，可以增加JPC的可调带宽。
约瑟夫森参量转换器是量子限制的微波放大器，可用于读出超导量子位、量子点等的量子态。JPC是非简并放大器，其中信号和空闲模式在空间和光谱上分离。信号和空闲具有不同的物理端口和谐振器(即空间分离)，并且信号和空闲也具有不同的频率(即，频谱分离)。
约瑟夫森参量放大器(JPA)是简并放大器，其中信号和空闲模式共享相同的物理端口和谐振器，但是在放大器的带宽内可以具有略微不同的频率(即，相位保持模式)或具有相同的频率(即相敏模式)。
这同样适用于使用缺少(除了用于相位匹配目的的传输线内使用的那些)谐振器的非线性传输线形成的约瑟夫森行波参量放大器(JTWPA)和动态电感行波放大器(KITWA)。
然而，在现有技术中，没有这样可用的量子限制参量放大器，其具有用于信号和空闲模式的不同物理端口，同时允许它们的频率匹配，即，允许信号和空闲频率匹配。一个主要原因是通过使(基于传输线的)JPC微带谐振器相同，放大所需的(对应于信号和空闲谐振频率的总和的)泵频率将与信号和空闲谐振器(idler resonator)的二次谐波的频率一致，从而使“泵驱动软(pump drive soft)”对放大器性能产生负面影响。此外，通过使用于信号和空闲模式的两个传输线谐振器相同(即，使信号和空闲谐振器相同)，设备的(对应于信号和空闲端口之间的直接传输的)“寄生”共模频率将与信号和空闲频率一致，并导致端口之间(即，在信号和空闲端口之间)的直接泄漏。
现在转向本发明的各方面的概述，一个或多个实施例讨论如何构建或配置在空间上非简并(即，对于信号和空闲模式具有不同端口)、光谱简并(即，对于信号和空闲谐振器具有相同的频率)并且能够执行三波混频的量子限制微波放大器。为了实现这一点，一个或多个实施例利用集总元件JPC，其信号和空闲谐振器由集总元件电感器和电容器制成，并且这些用于信号和空闲谐振器的集总元件名义上相同。这两项要求的结合构成了JPC的一项优势。一个或多个实施例说明这种结构或设备配置将解决先前概述的关于基于传输线谐振器的JPC问题。集总元件谐振器缺少二次谐波谐振模式(即，基础谐振频率的两倍)的事实确保了泵驱动器在实施例中保持“刚性”，因此与非简并情况相比保持了器件性能。此外，在一个或多个实施例中，集总元件JPC的共模频率与信号和空闲模式的频率不一致(例如，共模的频率高于或低于信号或空闲的频率，取决于确切的电路)，从而确保两种模式(信号和空闲)隔离，防止信号和空闲端口之间的直接传输。这意味着共模不等于信号或空闲谐振器的谐振频率。
现在转到本发明的方面的更详细描述，图1是根据一个或多个实施例的JPC 100的电路的示意图。JPC 100包括端口150A和端口150B。端口150A可以连接到宽带180度混合耦合器120A，端口150B可以连接到宽带180度混合耦合器120B。180度混合耦合器120A和120B各自具有差(Δ)端口和和(Σ)端口。对于180度混合耦合器120A，空闲(I)连接到Δ端口，泵(P)连接到Σ端口。对于180度混合耦合器120B，信号(S)连接到Δ端口，并且终端阻抗点(例如，50欧姆(Ω)终端环境)连接到Σ端口。
180°混合耦合器是4端口微波器件，其是互易、匹配的并且理想地是无损的。180°混合器将输入信号分成两个相等幅度的输出。当从它的和端口(Σ)馈电时，180°混合器提供两个相等幅度的同相输出信号。而当从它的差分端口(Δ)馈电时，它提供两个相等幅度的180°异相输出信号。
JPC 100包括多约瑟夫森结环形调制器(MJRM)110。MJRM 110包括(串联)连接在一起的多个约瑟夫森结130，以在MJRM 110中形成循环/环。MJRM 110包括N个约瑟夫森结130的阵列。在一个实现中，N个JJ的阵列中N＝1-15。在一个实现中，MRJM 110中的N＝6JJ。如本领域技术人员所理解的，磁通量Φ穿过MJRM 110的环。在JRM的每个臂中选择约瑟夫森结N的数量受两个相互矛盾的考虑因素和它们之间的平衡所影响。第一个考虑因素是通过串联添加更多的约瑟夫森结来增强器件的动态范围，而第二个考虑因素是不显著稀释JRM的非线性(因为JRM的非线性随着N的增加而减小)。
空闲谐振器161包括与MJRM 110并联的集总元件电容器10A和10B。信号谐振器162包括与MJRM 110并联的集总元件电容器10C和10D。空闲谐振器161和信号谐振器162共用或利用MJRM 110。在空闲谐振器161和信号谐振器162中，对于每个集总元件电容器10A、10B、10C和10D的值是相同的，并且该值被指定为2C，其中C表示电容。虽然示出了集总元件电容器10A-D，但是一种实施方式可以另外具有与MJRM 110并联或串联的集总元件电感器。如果微波元件/单元的尺寸与最小工作频率的波长(例如，小于对应于设备的最小工作频率的波长的1/10)相比非常小，则被描述为集总(相对于分布式)。例如，约瑟夫逊结被认为是作为1-20GHz范围内的微波信号的集总非线性电感器的非常好的近似。
空闲谐振器161的集总元件电容器10A和10B连接到MJRM 110的相对端，例如，连接到MJRM 110的节点50A和50B。信号谐振器162的集总元件电容器10C和10D连接到MJRM 110的相对端，例如，在MJRM 110的节点50C和50D。
JPC 100包括将端口150A连接到空闲谐振器161的耦合电容器20A和20B。此外，JPC包括将端口150B连接到信号谐振器162的耦合电容器20C和20D。耦合电容器20A、20B、20C和20D各自具有相同的值，并且该值被指定为Cc/2。耦合电容器20A、20B、20C和20D的值主要被确定为使得其设定用于空闲谐振器161和信号谐振器162期望的带宽(不牺牲设备稳定性，如本领域技术人员将理解的)。
空闲微波信号/音调151处于频率fI，信号微波信号/音调152处于频率fS。泵微波信号/音调153处于频率fP。为了使JPC设备100处于放大模式(具有光子增益)，所施加的泵频率fP满足以下关系
fP＝fI+fS
其中fS和fI分别是信号Signal(S)和空闲Idler(I)音调的频率。
在现有技术的JPC中，要求空闲微波信号和信号微波信号满足fS<fI的要求。例如，空闲fI可以是10千兆赫(GHz)，信号频率fS可以是7GHz，导致泵频率fP为17GHz。在现有技术的JPC中，空闲频率fI不能等于(或几乎等于)信号频率fS，因为泵频率fP(其中fP＝fI+fS)将与空闲谐振器和信号谐振器的二次谐波一致，从而使泵驱动软并对放大器性能产生负面影响，例如显着降低其动态范围(其中动态范围是设备在某个工作点可以处理的最大输入功率)。
与现有技术相比，实施例中的JPC 100具有集总元件空闲谐振器161和集总元件信号谐振器162，并且空闲和信号谐振器161和162不具有确保泵驱动器保持刚性的二次谐波，因此与(在现有技术中)非简并情况相比，保持了JPC性能。因此，在JPC 100中，频率为fI的空闲微波信号151和频率为fS的信号微波信号152被配置为满足该关系。
fI＝fS。
因此，空闲频率fI与信号频率fS相等(或大致相等)。例如，空闲频率fI可以是10千兆赫(GHz)，信号频率fS可以是10GHz，导致泵频率fP为20GHz。集总元件JPC 100的泵驱动(放大)的频率fP与信号和空闲模式(谐振器162和161)的(相同)频率不一致和/或与作为空闲谐振器161和信号谐振器162的集总元件谐振器的第二谐振频率不一致。另外，JPC装置100的共模频率与fI和fS不一致。它高于或低于fI和fS，从而确保空闲模式(空闲谐振器161)和信号模式(信号谐振器162)隔离以防止跨越信号端口(即，混合耦合器120B的Δ端口)和空闲端口(即，混合耦合器120A的Δ端口)的直接传输。也就是说，空闲微波信号151(在混合耦合器120A的Δ(空闲)端口处输入)不在混合耦合器120B的Δ(信号)端口处输出，并且信号微波信号152(在混合耦合器120B的Δ(信号)端口处输入)不在混合耦合器120A的Δ(空闲)端口处输出，即使在满足条件fI＝fS的情况下。
包括电容器10A-D和20A-D(电容器中的电介质材料除外)、传输线30、约瑟夫森结130(薄绝缘材料除外)和端口150A 150B的JPC100由超导材料制成。另外，混合耦合器120A和120B由低损耗的普通金属制成或者可以由超导材料制成。而且，下面讨论的量子位谐振器系统由超导材料制成。超导材料(在低温下，例如约10-100毫开尔文(mK)或约4K)的实例包括铌、铝、钽等。
图2是根据一个或多个实施例的用于使用JPC 100远程纠缠量子位的系统200的示意图。在图2中，为了清楚起见省略了JPC 100的细节，并且应当理解，JPC 100包括图1中讨论的特征。系统200示出了JPC 100经由空闲端口150A通过混合耦合器120A连接到量子位谐振器系统220A，JPC 100经由信号端口150B通过混合耦合器120B连接到量子位谐振器系统220B。
量子位谐振器系统220A包括连接到它的读出谐振器210A的量子位205A。量子位谐振器系统220B包括连接到它的读出谐振器210B的量子位205B。
在一个实现中，量子位谐振器系统220A和220B可以在同一芯片上本地彼此耦合。在另一个实现中，量子位谐振器系统220A和220B可以在同一芯片上或在两个不同的芯片上彼此远离。读出谐振器210A和210B被配置为具有与JPC(即，信号谐振器162和空闲谐振器161)的两个谐振频率一致的相同谐振频率X。换句话说，读出谐振器210A和210B、空闲谐振器161和信号谐振器162各自具有相同的谐振频率X。注意，频率X表示微波频率，例如10GHz。可以理解，频率X可以是其他微波频率。如上所述，由于空闲谐振器161和信号谐振器162是集总元件谐振器，所以空闲谐振器161和信号谐振器162仅具有基础谐振频率，该基础谐振频率是第一谐振频率并且不具有基础谐振频率两倍的第二谐振频率，从而允许空闲谐振器161和信号谐振器162具有相同的谐振频率并允许JPC 100作为放大器fP＝fI+fS操作而没有负面影响，例如设备动态范围的减小、信号和空闲谐振器和端口之间的直接功率泄漏。
在量子位谐振器系统220A和220B中，在一个实现中，相应的量子位205A和205B可以具有两个不同的量子位频率。在另一实现中，量子位205A和205B可以具有相同的量子位频率。
在量子位谐振器系统220A中，量子位205A可以通过单独的端口，而不必通过它的对应读出谐振器210A单独驱动。在量子位谐振器系统220B中，量子位205B可以通过单独的端口，而不必通过它的相应的读出谐振器210B单独驱动。
JPC 100在放大操作(意味着fP＝fI+fS)时可以通过产生并向读出谐振器210A和210B发送两个读出音调/信号(即，分别为微波信号151'和152')来远程地(在相同频率X)纠缠这两个量子位205A和205B。频率为fI的微波信号151'和频率为fS的微波信号152'均包括纠缠光子(信号和空闲)，微波信号151'和152'均为频率X，这意味着fI＝fS＝频率X。微波信号151'和152'是读出信号，它们分别通过单独探测(即读出)它们的读出谐振器210A和210B来测量量子位205A和205B。
作为计算的结果，量子位205A和205B被初始化为特定状态或被驱动到某个状态。通过使用包括纠缠光子的两个纠缠微波信号151'和152'(读出音调)联合测量两个量子位205A和205B的量子位状态，发生纠缠。换句话说，用两个纠缠的读出光束(微波信号151'和152')探测两个量子位205A和205B的状态导致两个量子位205A和205B的纠缠。
提供示例场景是为了说明而非限制。频率fI(等于频率X)的微波信号151经由混合耦合器120A的差分端口通过JPC 100的端口150A传输到JPC 100。频率fS(也等于频率X)的微波信号152经由混合耦合器120B的差分端口通过JPC 100的端口150B传输到JPC 100。另外，泵微波信号153经由混合耦合器120A的和端口通过端口150A施加，并且泵微波信号153在泵频率fP＝fI+fS。
微波信号151与空闲谐振器161相互作用，包括与MJRM 110的相互作用，而微波信号152与信号谐振器162相互作用，信号谐振器162还包括与MJRM 110的相互作用。通过微波信号151和152一起与MJRM 110相互作用，微波信号151的光子通过在JPC设备100中发生的三波混频过程(或者换句话说，通过泵光子下转换为信号和空闲纠缠的光子对)与微波信号152的光子纠缠在一起(反之亦然)。在与空闲谐振器161(包括MJRM 110)相互作用之后，反射/产生的微波信号151被指定为微波信号151'。同样，在与信号谐振器162(包括MJRM 110)相互作用之后，反射/产生的微波信号152被指定为微波信号152'。反射的微波信号151'和152'具有频率fI＝fS＝频率X(例如，10GHz)的纠缠光子。例如，可以存在第一对纠缠光子，例如，微波信号151'中的一个光子与微波信号152'中的一个光子纠缠；第二对纠缠光子，例如微波信号151'中的另一个光子与微波信号152'中的另一个光子纠缠；一直到最后一对纠缠光子，例如，微波信号151'中的又一个光子与微波信号152'中的又一个光子纠缠。因此，在微波信号151'和152'之间可以存在多对纠缠光子。
反射的微波信号151'作为读出谐振器210A的读出信号被发送到量子位谐振器系统220A，而反射的微波信号152'作为读出谐振器210B的读出信号被发送到量子位谐振器系统220B，从而缠绕量子位205A和205B。为了测量量子位205A，频率为X的微波信号151'使读出谐振器210A读出量子位205A的状态信息，并且包含量子位状态信息的微波信号151'(频率为X)可以被发送到光子探测器用于测量/检测。类似地，为了测量量子位205B，频率为X的微波信号152'使读出谐振器210B读出量子位205B的状态信息，并且包含量子位状态信息的微波信号152'(频率为X)可以被发送到光子探测器用于测量/检测(或用于外差测量设置)。
微波信号151'和152'可以在传输或反射中分别从量子位谐振器系统220A和220B传输。虽然为简单起见未示出，但是可以在量子位谐振器系统220A和JPC 100之间放置4端口环行器(或通过一个端口耦合在一起的两个3端口环行器)或开关，以及在量子位谐振器系统220B和JPC 100之间放置4端口环行器(或通过一个端口耦合在一起的两个3端口环行器)或开关。在4端口环行器/开关的情况下，4端口环行器可以接收微波信号151并将其引导至JPC 100。然后，4端口环行器/开关可以接收纠缠的微波信号151'并将其引导至量子位谐振器系统220A。最后，4端口环行器/开关可以从量子位谐振器系统220A接收包含量子位状态信息的微波信号151'，然后将包含量子位状态信息的微波信号151'引导至光子探测器(用于测量)或外差测量设置。类似的描述适用于微波信号152、152和量子位谐振器系统220B。
图3是根据一个或多个实施例的配置量子限制微波放大器(例如，JPC 100)的方法的流程图300。在块305，提供JRM 110，并且在块310，第一集总元件谐振器161(空闲谐振器)连接到JRM 110，其中第一集总元件谐振器161包括一个或多个第一集总元件(例如，电容器10A和10B)。
在块315，第二集总元件谐振器162(信号谐振器)连接到JRM 110，其中第二集总元件谐振器162包括一个或多个第二集总元件(例如，电容器10C和10D)。JRM 110、第一集总元件谐振器161和第二集总元件谐振器162形成JPC 100。一个或多个第一集总元件(10A和10B)和一个或多个第二集总元件(10C和10D)具有相同的值(例如，2C)，从而将JPC 100配置为光谱简并。
JRM 110是以循环方式连接的多个JJ 130。JPC包括第一端口150A和第二端口150B。第一端口150A经由第一耦合电容器20A和20B连接到第一集总元件谐振器161。第二端口150B经由第二耦合电容器20C和20D连接到第二集总元件谐振器162。第一和第二耦合电容器20A-D具有值Cc/2，在确定信号和空闲谐振器162和161的带宽中起作用。
JPC 100的第一端口150A被配置为经由第一混合耦合器120A的差分端口Δ以第一频率(例如，fI＝10GHz)接收第一微波信号151，并且第二端口150B被配置经由第二混合耦合器120B的另一个差分端口Δ以第二频率(例如，fS＝10GHz)接收第二微波信号152，其中第一和第二频率是相同的频率(例如，10GHz)。
JPC 100被配置为放大具有相同频率的第一微波信号151和第二微波信号152，因为JPC 100被配置为光谱简并，第一微波信号151没有泄漏第二混合耦合器120B的差分端口Δ(信号端口)并且第二微波信号152没有泄漏第一混合耦合器120A的另一个差分端口Δ(空闲端口)。第一端口150A或第二端口150B被配置为以泵频率fP接收泵微波信号153的输入，其中泵微波信号153经由第一混合耦合器120A或第二混合耦合器120B的和端口Σ接收。泵频率是第一和第二频率fP＝fI+fS之和。第一集总元件谐振器和第二集总元件谐振器由超导材料制成。
第一和第二耦合电容器(20A-D)是集总元件，并且集总元件选自由间隙电容器、交叉指型电容器和/或平板电容器组成的组。
图4是根据一个或多个实施例的用于配置用于通过测量远程纠缠量子位的系统200的方法400的流程图。
在块405，提供JPC 100，并且在块410，第一量子位谐振器系统220A连接到JPC100，其中第一量子位谐振器系统220A包括耦合到第一读出谐振器210A的第一量子位205A。
在块415，第二量子位谐振器系统220B连接到JPC 100，其中第二量子位谐振器系统220B包括耦合到第二读出谐振器210B的第二量子位205B。JPC 100被配置为通过以频率X(例如，10GHz)读出对应的第一和第二读出谐振器210A和210B来远程地纠缠第一量子位205A和第二量子位205B。
JPC 100被配置为将频率为X的第一读出信号(例如，微波信号151')发送到第一量子位谐振器系统220A中的第一读出谐振器210A，并将频率为X的第二读出信号(例如，微波信号152')发送到第二量子位谐振器系统220B中的第二读出谐振器210B。第一和第二读出信号151'和152'的光子由JPC 100以频率X纠缠，从而将分别与谐振频率为X的第一读出谐振器210A和第二读出谐振器耦合的第一量子位205A和第二量子位205B纠缠。
对于第一和第二读出信号151'和152'，频率X是相同的值(例如，10GHz)。第一和第二读出谐振器210A和210B均配置有等于频率X(例如，10GHz)的谐振频率。
技术益处包括JPC，并且JPC被配置为生成在不同传输线上传播的纠缠光子对，而纠缠的光子对具有相同的频率。产生具有相同频率的纠缠光子的能力在例如以下某些情况下是有利的。JPC可用于远程纠缠耦合到读出谐振器的不同量子位，其中读出谐振器具有相同的频率(这简化了量子位谐振器设计)。产生具有相同频率(即，在信号和空闲谐振器频率)的纠缠光子允许使用诸如混合的无源单一分束器通过波干涉测量/检测这些纠缠光子之间的双模压缩效应。值得注意的是，两种模式压缩可以在量子通信和量子态的高保真读出中发挥重要作用。此外，如果使用单个微波光子检测器来检测这些光子，则光子检测器可以是相同的(即，不需要光子检测器来检测不同的频率)。在一个或多个实施例中，JPC可用于显着简化两个或更多个JPC在同一芯片上的集成，例如以便形成量子限制的定向放大器。
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 (25)
1.一种量子限制微波放大器，该放大器包括：
约瑟夫森环形调制器'JRM'；
连接到JRM的第一集总元件谐振器，第一集总元件谐振器包括一个或多个第一集总元件；和
连接到JRM的第二集总元件谐振器，第二集总元件谐振器包括一个或多个第二集总元件；
其中，JRM、第一集总元件谐振器和第二集总元件谐振器形成约瑟夫森参量转换器'JPC'；
其中，一个或多个第一集总元件和一个或多个第二集总元件具有相同的值，从而将JPC配置为光谱简并。
2.根据权利要求1所述的放大器，其中JRM是以环连接的多个约瑟夫森结。
3.如权利要求1所述的放大器，还包括第一端口和第二端口。
4.如权利要求3所述的放大器，其中第一端口经由第一耦合电容器连接到第一集总元件谐振器；并且
其中第二端口经由第二耦合电容器连接到第二集总元件谐振器。
5.如权利要求4所述的放大器，其中第一和第二耦合电容器是集总元件；并且
其中，集总元件选自间隙电容器、交叉指型电容器和平板电容器组成的组。
6.根据权利要求3所述的放大器，其中第一端口配置为经由第一混合耦合器的差分端口以第一频率接收第一微波信号，并且第二端口配置为经由第二混合耦合器的另一差分端口以第二频率接收第二微波信号，第一和第二频率是相同的频率。
7.如权利要求6所述的放大器，其中，JPC被配置为放大具有相同频率的第一微波信号和第二微波信号，尽管JPC被配置为光谱简并，第一微波信号没有泄漏第二混合耦合器的差分端口，并且第二微波信号没有泄露第一混合耦合器的另一差分端口。
8.根据权利要求7所述的放大器，其中第一端口或第二端口被配置为以泵频率接收泵微波信号的输入，泵微波信号经由第一混合耦合器或第二混合耦合器的和端口接收。
9.如权利要求8所述的放大器，其中泵频率是第一和第二频率之和。
10.根据权利要求1所述的放大器，其中第一集总元件谐振器和第二集总元件谐振器由超导材料制成。
11.一种配置量子限制微波放大器的方法，该方法包括：
提供约瑟夫森环形调制器'JRM'；
提供连接到JRM的第一集总元件谐振器，第一集总元件谐振器包括一个或多个第一集总元件；和
提供连接到JRM的第二集总元件谐振器，第二集总元件谐振器包括一个或多个第二集总元件；
其中，JRM、第一集总元件谐振器和第二集总元件谐振器形成约瑟夫森参量转换器'JPC'；
其中，一个或多个第一集总元件和一个或多个第二集总元件具有相同的值，从而将JPC配置为光谱简并。
12.根据权利要求11所述的方法，其中JRM是以环连接的多个约瑟夫森结。
13.根据权利要求11所述的方法，其中JPC包括第一端口和第二端口。
14.根据权利要求13所述的方法，其中第一端口经由第一耦合电容器连接到第一集总元件谐振器；并且
其中第二端口经由第二耦合电容器连接到第二集总元件谐振器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中第一和第二耦合电容器是集总元件；并且
其中，集总元件选自间隙电容器、交叉指型电容器和平板电容器组成的组。
16.根据权利要求13所述的方法，其中第一端口配置为经由第一混合耦合器的差分端口以第一频率接收第一微波信号，并且第二端口配置为经由第二混合耦合器的另一差分端口以第二频率接收第二微波信号，第一和第二频率是相同的频率。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，JPC被配置为放大具有相同频率的第一微波信号和第二微波信号，尽管JPC被配置为光谱简并，第一微波信号没有泄漏第二混合耦合器的差分端口，并且第二微波信号没有泄露第一混合耦合器的另一差分端口。
18.根据权利要求17所述的方法，其中第一端口或第二端口被配置为以泵频率接收泵微波信号的输入，泵微波信号经由第一混合耦合器或第二混合耦合器的和端口接收。
19.根据权利要求18所述的方法，其中泵频率是第一和第二频率之和。
20.根据权利要求11所述的方法，其中第一集总元件谐振器和第二集总元件谐振器由超导材料制成。
21.一种用于通过测量远程纠缠量子位的系统，该系统包括：
约瑟夫森参量转换器'JPC'；
连接到JPC的第一量子位谐振器系统，第一量子位谐振器系统包括耦合到第一读出谐振器的第一量子位；和
连接到JPC的第二量子位谐振器系统，第二量子位谐振器系统包括耦合到第二读出谐振器的第二量子位，其中JPC被配置为通过以频率X读出第一和第二读出谐振器来远程纠缠第一量子位和第二量子位。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，JPC被配置为以频率X将第一读出信号传输到第一量子谐振器系统中的第一读出谐振器，并且以频率X第二读出信号传输到第二量子谐振器系统中的第二读出谐振器；并且
其中第一和第二读出信号的光子由JPC以频率X纠缠，从而纠缠第一量子位和第二量子位。
23.根据权利要求21所述的系统，其中对于第一和第二读出信号频率X是相同的值；并且
其中第一和第二读出谐振器各自配置有等于频率X的谐振频率。
24.根据权利要求21所述的系统，其中JPC包括：
JRM，
连接到JRM的第一集总元件谐振器，第一集总元件谐振器包括一个或多个第一集总元件，和
连接到JRM的第二集总元件谐振器，第二集总元件谐振器包括一个或多个第二集总元件，其中一个或多个第一集总元件和一个或多个第二集总元件具有相同的值，从而将JPC配置为光谱简并。
25.一种配置用于通过测量远程纠缠量子位的系统的方法，该方法包括：
提供约瑟夫森参量转换器'JPC'；
提供连接到JPC的第一量子位谐振器系统，第一量子位谐振器系统包括连接到第一读出谐振器的第一量子位；和
提供连接到JPC的第二量子位谐振器系统，第二量子位谐振器系统包括连接到第二读出谐振器的第二量子位，其中JPC被配置为通过以频率X读出第一和第二读出谐振器来远程纠缠第一量子位和第二量子位。
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