CN111418153B - 使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊定向放大器放大频率复用微波信号 - Google Patents

使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊定向放大器放大频率复用微波信号 Download PDF

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Abstract

一种级联微波放大器(级联体)(302)，包括约瑟夫逊器件的集合(302(1)‑302(n))，该集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率(f1‑fn)的相应操作带宽(BW(1)‑BW(n))，其中不同的操作带宽具有不同的相应中心频率。串联耦合形成在来自该集合的第一约瑟夫逊器件(302(1))与来自该集合的第n约瑟夫逊器件(302(n))之间。该串联耦合使得在通过该串联耦合的第一信号流方向上，第一约瑟夫逊器件(302(1))放大来自频率复用微波信号(复用信号)(f1‑fn)的第一频率(f1，BW(1))的信号，并且传播而不放大第n频率(f2‑fn)的信号，并且该第n约瑟夫逊器件(302(n))放大该第n频率(fn，BW(n))的信号，并且传播而不放大来自该复用信号的第一频率(f1‑f(n‑1))的信号。

Description

使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊定向放大器放 大频率复用微波信号
技术领域
本发明总体上涉及对于在量子计算中可与超导量子比特一起使用的频率复用微波光放大器的器件、制造方法和制造系统。更具体地说，本发明涉及一种用于使用非重叠带宽中的级联多路干涉约瑟夫逊定向放大器(cascading multi-path interferometricdirectional amplifier)来放大频率复用微波信号的器件、方法和系统，其中该定向放大器基于非简并三波混频约瑟夫逊器件。
背景技术
在下文中，短语单词中的“Q”前缀表示该单词或短语在量子计算上下文中的引用，除非在使用时明确区分。
分子和亚原子粒子遵循量子力学定律，量子力学是物理学的一个分支，探索物理世界如何在最基本的层面上工作。在这个层面上，粒子以奇怪的方式运行，同时呈现出一种以上的状态，并与非常遥远的其他粒子相互作用。量子计算利用这些量子现象来处理信息。
我们今天使用的计算机被称为经典计算机(本文也称为“传统”计算机或传统节点或“CN”)。传统计算机使用通过使用半导体材料和技术制造传统的处理器，半导体存储器，以及磁性或固态存储器件，这就是众所周知的冯诺依曼体系结构。特别地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。
量子处理器(q-处理器，quantum processor)利用纠缠的量子比特器件(在本文紧凑地称为“量子比特”，复数“多个量子比特”)的奇性(odd nature)来执行计算任务。在量子力学运作的特定领域，物质粒子可以以多种状态存在——诸如“开”状态、“关”状态以及同时“开”和“关”状态。在使用半导体处理器的二进制计算仅限于使用开和关状态(相当于二进制代码中的1和0)的情况下，量子处理器利用物质的这些量子状态来输出可用于数据计算的信号。
传统计算机用比特来编码信息。每个比特可以取值1或0。这些1和0充当最终驱动计算机功能的开/关开关。另一方面，量子计算机是基于量子比特的，量子比特根据量子物理学的两个关键原理运作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子比特可以同时代表1和0。纠缠意味着处于叠加的量子比特可以以非经典的方式相互关联；也就是说，一个量子比特的状态(无论是1还是0或者两者都是)取决于另一个量子比特的状态，并且当两个量子比特纠缠在一起时，可以确定的信息比单独处理它们时要多。
使用这两个原理，量子比特作为更复杂的信息处理器运行，使量子计算机能够以某种方式运行，从而允许它们解决传统计算机难以解决的难题。IBM已经成功地构建并演示了使用超导量子比特的量子处理器的可操作性(IBM是在美国和其他国家的国际商用机器公司的注册商标)。
超导量子比特包括约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是通过用非超导材料隔离两个薄膜超导金属层而形成的。当超导层中的金属被变成超导时，例如通过将金属的温度降低到特定的低温温度，电子对可以从一个超导层通过非超导层隧穿到另一超导层。在量子比特中，约瑟夫逊结(其用作分散非线性电感器)与形成非线性微波振荡器的一个或多个电容性器件并联电耦合。振荡器具有由量子比特电路中的电感和电容的值确定的谐振/跃迁频率。对术语“量子比特”的任何引用是对采用约瑟夫逊结的超导量子比特电路的引用，除非在使用时明确地进行区分。
由量子比特处理的信息以微波频率范围内的微波信号/光子的形式被携带或传输。捕获、处理和分析微波信号，以便解密在其中编码的量子信息。读出电路是与量子比特耦合的电路，用于捕获、读取和测量量子比特的量子态。读出电路的输出是可由q处理器使用以执行计算的信息。
超导量子比特具有两个量子态–|0>和|1>。这两个状态可以是原子的两个能态，例如，超导人工原子(超导量子比特)的基态((|g>)和第一激发态(|e>)。其它示例包括核或电子自旋的自旋向上(spin-up)和自旋向下(spin-down)、晶体缺陷的两个位置和量子点的两个状态。由于系统具有量子性质，因此两个状态的任何组合都是允许的和有效的。
为了使用量子比特的量子计算是可靠的，例如量子比特本身、与量子比特相关联的读出电路、以及量子处理器的其它部分，必须不以任何显著的方式改变量子比特的能态，诸如通过注入或耗散能量，或者影响量子比特的|0>与|1>状态之间的相对相位。在利用量子信息操作的任何电路上的这种操作约束需要在制造在这样的电路中使用的半导体和超导结构时的特殊考虑。
定向微波放大器是一种器件，当微波光波在一个方向上通过该器件时增加微波光波的功率(放大)(在正向上有显著的正向增益)，并且当微波光波试图在相反方向上通过该器件时在没有任何显著放大或衰减的情况下传递(在反向上没有显著的反向增益)。本文对“放大器”的引用是对定向微波放大器的引用。换句话说，放大器作为微波光功率增强器操作，并且器件的响应取决于微波光传播通过该器件的方向。在量子计算中使用低噪声放大器，用于放大在指定流动方向上进出量子处理器的弱微波信号，同时不向处理的信号添加噪声或添加很少的噪声。
基于非简并三波混频约瑟夫逊参量器件的多路干涉约瑟夫逊定向放大器在下文中被紧凑地且可互换地称为多路干涉约瑟夫逊定向放大器(Multi-Path InterferometricJosephson Directional Amplifier，MPIJDA)。MPIJDA器件可以实现为超导量子电路中的微波放大器。MPIJDA中的定向放大是通过在驱动该器件的两个泵浦音调(pump tone)之间施加相位梯度而生成的。MPIJDA基本上在正向方向上放大其频率位于MPIJDA的带宽内的信号。在反向方向上传播的信号(其频率位于MPIJDA的带宽内)被放大大约2dB的小(非显著的)量，然而频率在MPIJDA频带之外的信号在反向方向上没有增益或者增益可以忽略不计。为了描述的清楚，在通过MPIJDA的反向方向上放大任何频率的信号被认为是零增益。
通过在放大(光子增益)模式中操作该器件，超导非简并三波混频参量放大器器件可以用作MPIJDA的一部分。非简并三波参量放大器可以是约瑟夫逊参量转换器(Josephsonparametric converter，JPC)。
超导非简并三波混频参量放大器具有3个端口，即通过其可以输入频率fS的微波信号的信号端口(S)、通过其可以输入频率fI的空闲微波信号的空闲端口(I)、以及通过其可以输入频率fP、功率Pp和相位
Figure BDA0002513096220000031
的微波信号的泵浦端口(P)。超导非简并三波混频参量放大器的特征是非简并的，因为它具有两种模式，即S和I，它们在空间和频谱上都不同。
根据说明性实施例，非简并三波混频参量放大器的两个适当表现形式被用作MPIJDA中的一个组件，其中每个表现形式在3-7dB的小增益极限内操作。JPC是一种这样的非限制性表现。
在量子电路中，微波信号可以包括多于一个频率的信号。通常，微波信号跨越频带。MPIJDA通常以MPIJDA被调谐的中心频率周围的相对较窄的信号频率带进行操作。说明性实施方式认识到需要一种新的放大器设计，其能够放大所有或一些具有不同频率的微波信号，即使信号的频率位于单个MPIJDA的操作频带之外。
发明内容
说明性实施例提供了一种超导器件及其制造方法和系统。实施例的超导器件形成级联微波定向放大器(级联体)，其包括：约瑟夫逊器件的集合，该集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的相应操作带宽，其中不同的操作带宽具有不同的相应中心频率。该实施例包括在来自该集合的第一约瑟夫逊器件与来自该集合的第n约瑟夫逊器件之间的串联耦合，其中该串联耦合使得第一约瑟夫逊器件在通过该串联耦合的第一信号流方向上放大来自频率复用微波信号(复用信号)的第一频率的信号，并且传播而不放大来自该复用信号的第n频率的信号，并且使得该第n约瑟夫逊器件在通过该串联耦合的第一信号流方向上放大该第n频率的信号，并且传播而不放大来自该复用信号的第一频率的信号。
另一个实施例还包括来自该集合的、该串联耦合中的第(n-1)约瑟夫逊器件，其中n大于1，其中第(n-1)约瑟夫逊器件被包括在第一约瑟夫逊器件与第n约瑟夫逊器件之间的串联耦合中，并且其中第(n-1)约瑟夫逊器件在第一信号流方向上放大来自复用信号的第(n-1)频率的信号。
在另一个实施例中，该串联耦合使得第一约瑟夫逊器件在通过该串联耦合的第一信号流方向上传播而不放大来自复用信号的第n频率的信号，并且使得第n约瑟夫逊器件在通过该串联的第一信号流方向上传播而不放大第一频率的信号。
在另一个实施例中，该串联耦合使得第一约瑟夫逊器件和第n约瑟夫逊器件在通过串联耦合的第二信号流方向上传播而不放大来自复用信号的所有频率的信号，其中第二信号流方向与第一信号流方向相反，并且其中第一信号流方向是第一约瑟夫逊器件和第n约瑟夫逊器件的放大方向。
在另一个实施例中，对应于第一约瑟夫逊器件的微波频率的第一操作带宽对于至少一些频率与对应于第n约瑟夫逊器件的微波频率的第n操作带宽不重叠。
在另一个实施例中，该级联体的总放大带宽包括第一操作带宽和第n操作带宽。
在另一个实施例中，该约瑟夫逊器件的集合中的第一约瑟夫逊器件是MPIJDA，包括：第一非简并微波参量放大器器件(第一参量放大器)；第二非简并微波参量放大器器件(第二参量放大器)；第一输入/输出(I/O)端口，其耦合到第一参量放大器的输入端口和第二参量放大器的输入端口；以及第二I/O端口，其耦合到第一参量放大器的输入端口和第二参量放大器的输入端口，其中在第一I/O端口与第二I/O端口之间传送的第一频率的信号当在通过第一参量放大器和第二参量放大器的、第一I/O端口到第二I/O端口之间的第一方向上传播时被透射，并且当在通过第一参量放大器和第二参量放大器的、第二I/O端口到第一I/O端口之间的第二方向上传播时基本上不被放大，并且其中第一频率在第一约瑟夫逊器件的第一操作带宽中。也就是说，放大器器件执行放大(信号在频带中并且其传播的方向与放大器的放大方向对齐)、或完全透射(unity transmission)(信号在频带之外，方向无关紧要)、或非显著的放大(信号在频带内并且其传播的方向与放大器的放大方向相反)。
另一个实施例还包括：第一微波泵浦，其以泵浦频率和第一泵浦相位将第一微波驱动注入到第一参量放大器中，其中第一微波泵浦被配置为使得第一参量放大器在低功率增益工作点处操作；以及第二微波泵浦，其以该泵浦频率和第二泵浦相位将第二微波驱动注入到第二参量放大器中，其中第二微波泵浦被配置为使得第二参量放大器在低功率增益工作点处操作。
在另一个实施例中，第一参量放大器和第二参量放大器各自为非简并三波混频参量放大器。
在另一个实施例中，第一参量放大器和第二参量放大器各自为约瑟夫逊参量转换器(JPC)，并且其中第一参量放大器和第二参量放大器名义上相同。
实施例包括用于制造超导器件的制造方法。
实施例包括用于制造超导器件的制造系统。
附图说明
在所附权利要求中阐述了被认为是本发明的特性的新颖特征。然而，通过参考以下结合附图对说明性实施例的详细描述，将最好地理解本发明本身及其优选使用模式、进一步的目的和优点，其中：
图1描绘了根据说明性实施例的可在级联体中使用的MPIJDA的示例配置的框图；
图2描绘了根据说明性实施例的可在级联体中使用的MPIJDA的另一替代配置；
图3描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例配置和放大操作的框图；
图4描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的接近零增益通过反向操作的示例的框图；
图5描绘了根据说明性实施例的使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊定向放大器在对频率复用微波信号中的所有频率的信号进行放大或不进行放大的情况下的传播的示例过程的流程图；
图6描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例配置和选择性放大操作的框图；
图7描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例选择性放大操作的框图；
图8描绘了根据说明性实施例的使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊定向放大器的频率复用微波信号中的一些而不是所有频率的信号的接近零增益传播或放大的示例过程的流程图。
具体实施方式
用于描述本发明的说明性实施例一般地处理和解决了上述用于放大一些或所有频率复用微波信号的需要。说明性实施例提供了一种放大器器器件，包括具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊定向放大器，其中该放大器基于非简并三波混频参量放大器约瑟夫逊器件。这种级联放大器器件在此被紧凑地称为级联MPIJDA。
本文描述的关于频率或多个频率发生的操作应当被解释为关于该频率或多个频率的信号发生。除非在使用时明确区分，否则所有对“信号”的提及均是对微波信号的提及。
术语“频率复用信号”是指包括各种频率的多个信号的复合信号，因此与术语“多个频率复用信号”没有不同，频率复用信号是指各种频率复用在一起的信号。因此，这两个术语可互换地使用，以表示被复用或一起呈现给器件或在操作中的不同频率的多于一个的信号。
实施例提供了级联MPIJDA的配置。另一个实施例提供一种级联MPIJDA的制造方法，使得该方法可以作为软件应用来实现。实现制造方法实施例的应用可以被配置为与现有的半导体制造系统(诸如光刻系统)结合操作。
为了描述的清楚，并且不暗示对其的任何限制，使用一些示例配置来描述说明性实施例。根据本公开，本领域的普通技术人员将能够构思出用于实现所描述的目的的所描述的配置的许多改变、改编和修改，并且同样被认为在说明性实施例的范围内。
此外，在附图和说明性实施例中使用了示例参量放大器、混合器和其他电路组件的简图。在实际制造或电路中，在不脱离说明性实施例的范围的情况下，可以存在在本文未示出或描述的附加结构或组件，或者不同于本文示出但用于描述目的的结构或组件。
此外，说明性实施例仅作为示例针对具体的实际或假设组件进行描述。由各种说明性实施例描述的步骤可适用于使用各种组件来制造电路，这些组件可被用于或重新用于在级联MPIJDA内提供所描述的功能，并且这种适用被认为在说明性实施例的范围内。
说明性实施例仅作为示例针对某些类型的材料、电特性、步骤、数量、信号频率、电路、组件和应用来描述。这些和其他类似人工制品的任何具体表现形式都不旨在限制本发明。可以在说明性实施例的范围内选择这些和其它类似人工制品的任何适当表现。
本公开中的示例仅用于描述的清晰性，并不限于说明性实施例。本文列出的任何优点仅是示例，并不旨在限制说明性实施例。通过特定的说明性实施例可以实现附加的或不同的优点。此外，特定的说明性实施例可以具有上面列出的一些、全部或没有优点。
参考图1，该图描绘了根据说明性实施例的可在级联体(cascade)中使用的MPIJDA的示例配置的框图。MPIJDA配置100包括一对102非简并三波混频参量放大器102A和非简并三波混频参量放大器102B。非简并三波混频参量放大器102A和非简并三波混频参量放大器102B中的每一个都在低功率增益工作点处操作。
非简并三波混频参量放大器102A配置有物理端口a1(对应于信号端口S)、b1(对应于信号端口I)、p1(对应于信号端口P)和b1’(对应于信号端口I)。根据表达式108，泵浦频率(fP)是空闲频率(f2)和输入信号频率(f1)之间的和。物理端口b1’使用冷端接器(coldterminator)端接。例如，端口b1’的冷端接可以是50欧姆(Ohm)端接。
非简并三波混频参量放大器102B以与放大器102A类似的方式配置有物理端口a2、b2、p2和b2’、泵浦频率(fP)以及冷端接器(cold terminator)。放大器102A的端口b1和放大器102B的端口b2使用传输线103耦合在一起。
90度混合器104的端口1和2分别形成MPIJDA 100的端口1和2，如本文所述。非简并三波混频参量放大器102A的端口a1与混合器104的端口3耦合。非简并三波混频参量放大器102B的端口a1与混合器104的端口4耦合。
非简并三波混频参量放大器102A和102B的这种配置100以及使用所描述的组件的其它可能类似目的的配置被紧凑地表示为符号110。例如，图2描绘了使用所描述的组件的另一可能的类似目的的配置。符号110的框内的圆形箭头表示符号110中的信号从端口1到端口2的放大方向。换句话说，MPIJDA 110不放大从端口2到端口1的信号，但是放大从端口1到端口2的信号。
这种MPIJDA器件的串联连接不是直观的。在电气或电子元件的正常串联耦合中，串联的参量(例如，串联的带宽)受串联链中的参量的最弱/最小/最低值限制。整个串联的元件以该最弱/最小/最低值操作。相反，MPIJDA器件的级联体，由于其中使用的MPIJDA器件的特殊性质，带外信号(不在器件的带宽中的频率的信号)不被作用并且被允许简单地通过，并且每个器件仅作用于(放大)位于其自身带宽中的信号的那部分，因此在带宽中提供非直观的附加跨度。
参考图2，该图描绘了根据说明性实施例的可在级联体中使用的MPIJDA的另一替代配置。混合器204是90度混合器，并且以基本上如图1中混合器104配置有非简并三波混频参量放大器102A和102B的方式配置有无混合的JPC 202A和无混合的JPC 202B。配置200使用单个泵浦驱动器与混合器206结合以向无混合的JPC 202A和无混合的JPC 202B提供泵浦输入。配置200也由符号110表示。
图3-图5描述了级联配置及其操作方式，以放大或传递而不放大具有不同频率的所有频率复用微波信号。图6-图8描述了不同的级联配置及其操作方式，以选择性地放大或传递而不放大一些但不是所有频率复用微波信号。
参考图3，该图描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例配置和放大操作的框图。该级联配置放大具有不同频率的所有频率复用微波信号的信号，该不同频率在任何级联的MPIJDA器件的带宽内。MPIJDA器件3021、3022…302N中的每个是根据符号110的MPIJDA。MPIJDA器件3021-302N表示在配置300中级联的N个MPIJDA器件(N＞1)。
MPIJDA器件的级联是MPIJDA器件的串联连接，由此第一MPIJDA(3021)的端口1耦合到用于接收微波信号输入的外部电路(假设级联体300在放大方向上操作，如圆形箭头所示)；第一MPIJDA(3021)的端口2耦合到下一MPIJDA(3022)的端口1；下一MPIJDA(3022)的端口2耦合到下一MPIJDA的端口1，依此类推，直到第N-1MPIJDA的端口2耦合到最后MPIJDA(302N)的端口1，并且最后MPIJDA(302N)的端口2耦合到级联体300向其提供放大的微波信号输出的外部电路。
每个MPIJDA 3021-302N被配置在级联体300中，使得每个MPIJDA 3021-302N在相同方向(它们相应符号中的圆形箭头的方向，这些圆形箭头都面向相同方向)上放大输入信号，并且在相同的相反方向(与它们相应符号中的圆形箭头的方向相反)上在不放大的情况下传递。
此外，级联体300中的每个MPIJDA 3021-302N在基本非重叠的频带中操作。例如，MPIJDA 3021在中心频率为f1的窄带宽(BW1)中操作，即，一半的BW1低于f1并且包括f1，并且一半的BW1高于f1。因此，BW1为[f1-BW1/2到f1+BW1/2]。类似地，MPIJDA 3022具有中心频率f2，以及[f2-BW2/2到f2+BW2/2]的BW2。并且以类似的方式限定该集合中的MPIJDA器件，直到MPIJDA 302N具有中心频率fN，以及[fN-BWN/2到fN+BWN/2]的BWN。BW1…BWN不重叠，或重叠非显著的量。
级联配置300中的MPIJDA仅对其被调谐的频率带宽进行操作。换句话说，MPIJDA将放大(在从端口1到端口2的方向上流动)和在不放大的情况下传递(在从端口2到端口1的方向上流动)落入其操作带宽内的那些频率的信号。MPIJDA将以基本上零增益的方式在两个方向上、在不放大的情况下传递频率在该MPIJDA的操作带宽之外的信号。
例如，如果从MPIJDA 3022的端口1流到MPIJDA 3022的端口2，则MPIJDA 3022将仅放大BW2中的频率(具有相当大的功率增益)的信号，但是将允许BW1、BW3、BW4…BWN中的频率的信号以基本上零增益方式在放大方向上传递。MPIJDA 3022将允许频率不仅在BW2中而且在BW1、BW3、BW4…BWN中的信号以基本上零增益的方式在非放大方向上传递。配置300中的每个MPIJDA 3021-302N以这种方式相对于其相应的操作带宽和其操作带宽之外的信号频率进行操作。
在配置300中，MPIJDA 3021在放大方向上放大频率f1的信号(比较MPIJDA 3021的端口1和2处的f1箭头的大小(代表性的，未按比例))，因为频率BW1和f1中的MPIJDA 3021信号在BW1中。MPIJDA 3021允许频率f2…fN的信号传递而不放大，因为那些信号频率在BW1的频带之外。类似地，MPIJDA 3022在放大方向上放大频率f2的信号(比较MPIJDA 3022的端口1和2处的f2箭头的大小(代表性的，未按比例))，因为MPIJDA 3022放大其自己的操作带宽BW2中的频率的信号并且f2在BW2中。MPIJDA 3022允许频率f1、fi…fN的信号传递而不放大，因为那些频率在BW2之外。MPIJDA 302N在放大方向上放大频率为fN的信号(比较MPIJDA 302N的端口1和2处的fN箭头的大小(代表性的，未按比例))，因为MPIJDA 302N放大BWN中的频率的信号并且fN在BWN中。MPIJDA 302N允许频率f1…fN-1的信号传递而不放大，因为那些频率在BWN之外。因此，如该图中所描绘的，复用频率f1、f2…fN的信号的输入信号经历(see)在参与的MPIJDA器件3021-302N的放大方向上通过级联体300放大的频率f1、f2…fN的信号的功率。
配置300被紧凑地表示为级联MPIJDA 302。因此级联MPIJDA 302可以放大的有效带宽是，
BW＝{[f1-BW1/2到f1+BW1/2]，[f2-BW2/2到f2+BW2/2]，…[fN-BWN/2到fN+BWN/2]}
级联MPIJDA 302的放大带宽BW大于配置300中的任何单个MPIJDA的放大带宽。因此，级联MPIJDA 302可以在比单个MPIJDA的操作带宽更宽的带宽上操作。级联MPIJDA 302的放大操作示出了从级联MPIJDA 302的端口1(其为级联体中第一MPIJDA的端口1)到级联MPIJDA 302的端口2(其为级联体中最后MPIJDA的端口2)放大的复用频率f1、f2…fN的信号。
参考图4，该图描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的接近零增益通过反向操作的示例的框图。这种级联配置传递而不显著放大频率复用微波信号中的所有频率的信号。级联体300、MPIJDA器件3021,3022…302N和级联MPIJDA 302与图3中的相同。频率f1在MPIJDA 3021的BW1中，f2在MPIJDA 3022的BW2中…fN在MPIJDA 302N的BWN中。
在该图的反向操作中，频率f1、f2…fN的信号在级联体300的端口2处输入，即，在级联体300中的最后MPIJDA(302N)的端口2处输入。在级联体300中，MPIJDA 302N使带内频率fN的信号和频带BWN外的频率fN-1…f1的信号在反向方向上(端口2到端口1)传递而不放大。类似地，第N-1MPIJDA使带内频率fN-1的信号和带外频率fN、fN-2…f1的信号在反向方向上传递，其中带外频率fN、fN-2…f1在带宽BWN-1之外。
以这种方式操作，每个MPIJDA使每个带内和带外频率的信号传递而不在反向方向上放大。因此，来自复用输入信号f1…fN的任何频率的信号都没有被放大，以反向方向到达级联体300的端口1。因此，如该图中所描绘的，复用频率f1、f2…fN的输入信号在参与MPIJDA器件3021…302N的反向方向上基本上不被级联体300改变(零增益或可忽略的增益)。
根据配置300的级联MPIJDA 302具有级联MPIJDA 302可以在其上通过而不放大的有效带宽是，
BW＝{[f1-BW1/2到f1+BW1/2]，[f2-BW2/2到f2+BW2/2]，…[fN-BWN/2到fN+BWN/2]}
同样，级联MPIJDA 302的非放大带宽BW大于配置300中的任何单个MPIJDA的非放大带宽。因此，级联MPIJDA 302可在反向方向上操作以在不增益频率复用信号的情况下传递，该频率复用信号跨越比单个MPIJDA的操作带宽更宽的带宽。级联MPIJDA 302的接近零增益反向操作示出了频率f1、f2…fN的复用信号从级联MPIJDA 302的端口2(其为级联体中最后MPIJDA的端口2)基本上不改变地传播到级联MPIJDA 302的端口1(其为级联体中第一个MPIJDA的端口1)。
参考图5，该图描绘了根据说明性实施例的使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊定向放大器在对频率复用微波信号中的所有频率的信号进行放大或不进行放大的情况下的传播的示例过程的流程图。可以使用用于图3和图4中所描述的操作的级联MPIJDA 302来实现过程500。
约瑟夫逊器件的集合中的每个约瑟夫逊器件被配置为MPIJDA(框502)。通过将一个MPIJDA与另一个MPIJDA在串联连接中连接而在级联体中连接MPIJDA器件(框504)。串联连接中的MPIJDA器件被配置为使得串联中的所有MPIJDA器件在级联体中的信号流的相同方向上放大其相应频率的微波信号。通过以这种方式串联地添加来自该集合的所有MPIJDA器件来构建级联体(框506)。
级联体操作以放大(如图3所示)或不放大或小的放大(如图4所示)地传递输入微波信号，其中该信号处于与该串联中的任何MPIJDA器件的带宽相对应的频率(框508)。
图6-图8现在描述了不同的级联配置和操作该级联配置的方式，以选择性地放大或选择性地传递而不放大来自频率复用微波信号的一些但不是所有频率的信号。
参考图6，该图描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例配置和选择性放大操作的框图。这种级联配置仅放大频率复用微波信号中的一些频率的信号。MPIJDA器件6021、6022…602N中的每一个是根据符号110的MPIJDA。MPIJDA器件6021-602N表示在配置600中级联的N个MPIJDA器件(N＞1)。
MPIJDA器件的级联是MPIJDA器件的串联连接，由此串联中的MPIJDA可以被连接，使得通过MPIJDA的放大方向与通过串联的信号流方向匹配，或者使得通过MPIJDA的非放大(接近零增益)的方向与通过串联的信号流方向匹配。例如，通过将第一MPIJDA(6021)的端口1耦合到用于接收频率复用微波信号输入的外部电路来形成非限制性示例级联体600，在这种情况下，通过MPIJDA 6021的放大方向与图6中的信号流方向匹配。第一MPIJDA(6021)的端口2耦合到下一MPIJDA(6022)的端口2，在这种情况下，通过MPIJDA 6022的放大方向与图6中的信号流方向匹配。MPIJDA 6022的端口1耦合到下一MPIJDA的端口1，在这种情况下，通过下一MPIJDA的放大的方向与图6中的信号流方向匹配；依此类推，直到第N-1MPIJDA的端口2耦合到最后MPIJDA(602N)的端口2，并且最后MPIJDA(602N)的端口1耦合到级联体600向其提供微波信号输出的外部电路。由通过MPIJDA602N的反向方向流，MPIJDA 602N仅以小的放大传递其频率在MPIJDA 602N频带中的信号。
不意味着任何限制，并且仅为了描述的清楚，示例配置600被描绘为仅具有一个反向连接的MPIJDA(602N)(该MPIJDA的放大方向与通过级联体的信号流方向相反)。任何数量的MPIJDA器件可以以它们相应的放大方向与信号流方向对齐的方式串联耦合，并且任何数量的MPIJDA器件可以以它们相应的放大方向与信号流方向相反的方式串联耦合，以构建选择性地放大某些频率的信号的级联体。以这种方式构建的级联体放大(将相当大的增益应用于其功率)其频率位于其放大方向与信号流的方向对齐的相应MPIJDA器件的带宽内的那些信号，并且以这种方式构建的级联体传递(以不显著的放大率传播)那些频率的信号，这些信号对应于哪些放大方向与信号流的方向相反的MPIJDA器件。
因此，根据来自频率复用微波信号的哪组信号频率必须被传播，具有与这些频率相对应的频带的一个或多个MPIJDA 6021-602N被配置在级联体600中，使得一些MPIJDA6021-602N在信号流的方向(它们相应符号中的圆形箭头的方向，其全部面向与信号流的方向相同的方向)上放大输入信号中的频率的信号。并且根据来自频率复用微波信号的哪些频率必须在没有放大或具有小的放大的情况下通过，具有与那些频率相对应的频带的一个或多个MPIJDA 6021-602N被配置在级联体600中，使得那些MPIJDA在信号流方向(在它们相应的符号中的圆形箭头的方向与信号流方向相反)上提供接近零的增益。
此外，级联体600中的每个MPIJDA 6021-602N在基本非重叠的频带中操作。例如，MPIJDA 6021在相对窄的带宽(BW1)中操作，其中中心频率为f1，即，一半的BW1低于f1并且包括f1，并且一半的BW1高于f1。因此，BW1为[f1-BW1/2到f1+BW1/2]。类似地，MPIJDA 6022具有中心频率f2，以及[f2-BW2/2到f2+BW2/2]的BW2。并以类似方式定义该集合中的MPIJDA器件，直到第(N-1)MPIJDA具有中心频率fN-1，以及[fN-1-BWN-1/2到fN-1+BWN-1/2]的BWN-1；并且MPIJDA602N具有中心频率fN，以及[fN-BWN/2到fN+BWN/2]的BWN。BW1…BWN不重叠，或者仅重叠非显著的量。
级联配置600中的MPIJDA仅放大位于其被调谐的频率的带宽内的信号。换句话说，MPIJDA将放大(在从该MPIJDA的端口1到端口2的方向上流动的)落入其操作带宽内的那些频率的信号。MPIJDA将以基本上零增益的方式在两个方向上传递频率在该MPIJDA的操作带宽之外的信号。
例如，MPIJDA 6022将仅在从MPIJDA 6022的端口1流动到MPIJDA 6022的端口2的情况下放大BW2中的频率的信号，但是将允许BW1、BW3、BW4…BWN-1、BWN中的频率的信号以基本上零增益的方式在放大方向上传递。MPIJDA 6022将允许频率不仅在BW2中而且在BW1、BW3、BW4…BWN-1、BWN中的信号以基本零增益的方式在非放大方向(端口2到端口1)上传递。配置600中的每个MPIJDA 6021…602N以这种方式相对于其相应的操作带宽和其操作带宽之外的频率进行操作。
在配置600中，MPIJDA 6021在放大方向上放大频率f1的信号，因为MPIJDA 6021放大BW1中的频率的信号并且f1在BW1中。MPIJDA 6021允许频率f2…fN的信号以零增益传递，因为那些频率在BW1之外。假设级联体600中的MPIJDA器件6022…602N-1被配置在放大方向上，具有f1…fi…fN-1的复用信号到达MPIJDA 602N。然而，MPIJDA 602N在非放大方向(箭头604的方向与箭头606的方向相反)上被配置在级联体600中，并且因此将接近零的增益应用于频率fN的信号，因为MPIJDA 602N对于BWN中的频率的信号从端口2到端口1具有接近零的增益，并且fN在BWN中。MPIJDA 602N允许频率f1、fi…fN-1的信号以零增益传递，因为那些频率在BWN之外。因此，如该图所示，复用频率f1…fN的信号的输入信号通过级联体600在所选频率f1…fN-1中被放大，其中频率fN的信号已被选择性地传递而没有从输入信号放大。
概括起来，如果输入信号(在级联体的端口1处)具有频率fA、fB、fC、fD、fE、fF、fG和fH的信号，则MPIJDA(放大fA的信号)、C(放大fC的信号)、E(放大fE的信号)、G(放大fG的信号)在级联体中被定向为使得它们在信号流方向上放大，MPIJDA B(放大fB的信号)、D(放大fD的信号)、F(放大fF的信号)和H(放大fH的信号)在级联体中被定向为使得它们在信号流方向上不放大或非显著放大地传递信号，则输出信号(在级联体的端口2处)将包含fA、fC、fE和fG的放大信号，并且将包含几乎未放大的fB、fD、fF和fH的信号。
级联体600可以选择性地放大某些频率的信号的有效带宽因此是，
BW＝{[f1-BW1/2到f1+BW1/2]，[f2-BW2/2到f2+BW2/2]，…[fN-BWN/2到fN+BWN/2]}
级联体600的接近零增益的通过或放大带宽BW大于配置600中的任何单个MPIJDA的接近零增益的通过或放大带宽。因此，级联体600可操作用于选择性地放大频率复用信号中的某些频率的信号，该频率复用信号跨越比单个MPIJDA的操作带宽更宽的带宽。
参考图7，该图描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例选择性放大操作的框图。这种级联配置选择性地放大频率复用微波信号中的一些而不是所有频率的信号。级联体600和MPIJDA器件6021、6022…602N与图6中的相同。频率f1在MPIJDA 6021的BW1中，f2在MPIJDA 6022的BW2中…fN-1在第(N-1)MPIJDA的BWN-1中，并且fN在MPIJDA 602N的BWN中。
在该图的选择性放大操作中，频率f1、f2…fN的信号在级联体600的端口2处，即在级联体600中最后MPIJDA(602N)的端口1处，以所示的信号流方向输入。在级联体600的该操作中，MPIJDA 602N放大频率fN的信号并且允许在带宽BWN之外的频率fN-1…f1的信号在放大方向上传递，因为MPIJDA602N仅放大BWN中的频率的信号并且fN在BWN中。(比较表示级联体600中的每个MPIJDA处的每个频率的箭头的大小)。以这种方式操作，MPIJDA602N有效地选择性地从复用输入微波信号仅放大频率fN的信号。第N-1MPIJDA使带内频率fN-1和频带BWN-1外的频率fN-2…f1的信号在反向方向上以基本为零的增益传递。MPIJDA 602N已经放大了频率fN的信号，并且频带fN外的放大信号也以零增益通过MPIJDA 602N-1来传递。
以这种方式操作，取决于级联体600中的MPIJDA的定向，每个MPIJDA放大或以小的放大传递在该MPIJDA的带宽内的频率的信号。因为MPIJDA6022在信号流的反向方向上放大，所以MPIJDA 6022以小的放大传递频率f2的信号。MPIJDA 6022传递而不放大BW2之外的f1的信号。MPIJDA 6021传递而不放大在反向方向上的频率f1的信号，并且传播在在BW1之外的f2的信号。因此，级联体600的端口1处的输出信号，即MPIJDA 6021的端口1处的输出信号，包括频率f1…fN-1的未放大信号和已经从复用的输入信号f1…fN选择性放大的频率fN的信号。因此，如该图所示，复用频率f1…fN的输入信号由级联体600选择性地放大(仅放大一些而不是所有频率的信号)。
级联体600具有级联MPIJDA 602可以选择性地放大反向信号的有效带宽为，
BW＝{[f1-BW1/2到f1+BW1/2]，[f2-BW2/2到f2+BW2/2]，…[fN-BWN/2到fN+BWN/2]}
同样，级联体600在反向方向上的选择性放大带宽BW大于配置600中的任何单个MPIJDA的放大带宽。因此，级联体600可操作用于选择性地放大来自频率复用信号的一些频率的信号，该频率复用信号跨越比单个MPIJDA的操作带宽更宽的带宽。
同样，不意味着任何限制，并且仅为了描述的清楚，示例配置600被描绘为仅具有一个MPIJDA(602N)，其与通过级联体的信号流方向对齐的传播方向连接。任意数量的MPIJDA器件可以与它们相应的与信号流的方向对齐的放大方向串联耦合，并且任意数量的MPIJDA器件可以与它们相应的与信号流的方向相反的放大方向串联耦合，以构建选择性地放大某些频率的信号的级联体。以这种方式构建的级联体以接近零的增益通过与传播方向与信号流方向相反的MPIJDA器件相对应的那些频率的信号，并且放大与放大方向与信号流方向对齐的那些MPIJDA器件相对应的那些频率的信号。
概括起来，如果输入信号(在级联体的端口2处)具有频率fA、fB、fC、fD、fE、fF、fG和fH的信号，则MPIJDA(放大fA的信号)、C(放大fC的信号)、E(放大fE的信号)、G(放大fG的信号)在级联体中被定向为使得它们在信号流方向上放大，MPIJDA B(放大fB的信号)、D(放大fD的信号)、F(放大fF的信号)和H(放大fH的信号)在级联体中被定向为使得它们在信号流方向上以接近零的增益通过，则输出信号(在级联体的端口1处)将包含频率fA、fC、fE和fG,的放大信号，而fB、fD、fF和fH的信号几乎未被放大。
参考图8，该图描绘了根据说明性实施例的用于使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊定向放大器来接近零增益地传播或放大频率复用微波信号中的一些而不是所有频率的信号的示例过程的流程图。过程800可以使用用于图6和图7中描述的操作的级联体600来实现。
将约瑟夫逊器件的集合中的每个约瑟夫逊器件配置为MPIJDA(框802)。通过将一个MPIJDA与另一个MPIJDA在串联连接中连接而在级联体中连接MPIJDA器件(框804)。串联连接中的MPIJDA器件被配置为使得串联中的至少一些MPIJDA器件(反向的MPIJDA器件)在级联体中的信号流方向上以接近零增益来通过其相应频率的微波信号。通过以这种方式串联地添加来自该集合的所有MPIJDA器件来构建级联体(框806)。
级联体操作以选择性地放大(如图6中)或选择性地以接近零增益来传播(如图7中)频率复用输入微波信号，其中该信号包含对应于该串联中的任何反向的MPIJDA器件的频率的信号(框808)。
MPIJDA器件的电路元件及其连接可由超导材料制成。各个谐振器和传输/馈送/泵浦线可以由超导材料制成。混合耦合器可以由超导材料制成。超导材料的示例(在低温下，诸如大约10-100毫开尔文(mK)或大约4K)包括铌、铝、钽等。例如，约瑟夫逊结由超导材料制成，并且它们的隧道结可以由薄隧道势垒制成，诸如氧化铝。电容器可以由被低损耗介电材料隔开的超导材料制成。连接各种元件的传输线(即，导线)可以由超导材料制成。
在本文中参考相关附图描述本发明的各种实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以设计出替代实施例。尽管在以下描述和附图中阐述了元件之间的各种连接和位置关系(例如上方、下方、相邻等)，但是本领域技术人员将认识到，当即使改变了取向也保持了所描述的功能时，本文描述的许多位置关系是与取向无关的。除非另有说明，这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明并不旨在在这方面进行限制。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位置关系。作为间接位置关系的一个示例，本说明书中提到在层“B”上形成层“A”包括这样的情况，其中一个或多个中间层(例如层“C”)在层“A”和层“B”之间，只要层“A”和层“B”的相关特性和功能基本上不被(多个)中间层改变。
以下定义和缩写用于解释权利要求和说明书。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变型旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括一系列要素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置不一定仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置固有的其他要素。
另外，术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。在本文描述为“示例性”的任何实施例或设计不一定被解释为比其它实施例或设计更优选或有利。术语“至少一个”和“一个或多个”被理解为包括大于或等于一的任何整数，即一、二、三、四等。术语“多个”应理解为包括大于或等于二的任何整数，即二、三、四、五等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。
说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以包括或者可以不包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合其它实施例来影响这种特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内的，而不管是否明确描述。
术语“约”、“基本上”、“接近于”及其变体旨在包括与基于提交本申请时可用的器件的特定量的测量相关联的误差度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或5％或2％的范围。
已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背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的普通技术人员将是显而易见的。例选择本文所使用的术语以最好地解释实施的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所描述的实施例。

Claims (20)

1.一种级联微波定向放大器，包括：
约瑟夫逊器件的集合，所述集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的相应操作带宽，其中不同的操作带宽具有不同的相应中心频率；以及
串联耦合，所述串联耦合在来自所述集合的第一约瑟夫逊器件与来自所述集合的第n约瑟夫逊器件之间，其中，所述串联耦合使得：
所述第一约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上放大来自频率复用微波信号的第一频率的信号，并且传播而不放大来自所述频率复用微波信号的第n频率的信号，并且
所述第n约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上放大所述第n频率的信号，并且传播而不放大来自所述频率复用微波信号的第一频率的信号。
2.根据权利要求1所述的级联微波定向放大器，还包括：
来自所述集合的、所述串联耦合中的第(n-1)约瑟夫逊器件，其中n大于1，其中所述第(n-1)约瑟夫逊器件被包括在所述第一约瑟夫逊器件与所述第n约瑟夫逊器件之间的串联耦合中，并且其中所述第(n-1)约瑟夫逊器件在所述第一信号流方向上放大来自所述频率复用微波信号的第(n-1)频率的信号。
3.根据权利要求1所述的级联微波定向放大器，
其中，所述串联耦合使得所述第一约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上传播而不放大来自所述频率复用微波信号的第n频率的信号，并且使得所述第n约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上传播而不放大所述第一频率的信号。
4.根据权利要求1所述的级联微波定向放大器，
其中，所述串联耦合使得所述第一约瑟夫逊器件和所述第n约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第二信号流方向上传播而不放大来自所述频率复用微波信号所有的频率的信号，其中所述第二信号流方向与所述第一信号流方向相反，并且其中所述第一信号流方向是所述第一约瑟夫逊器件和所述第n约瑟夫逊器件的放大方向。
5.根据权利要求1所述的级联微波定向放大器，
其中，对应于所述第一约瑟夫逊器件的微波频率的第一操作带宽对于至少一些频率与对应于所述第n约瑟夫逊器件的微波频率的第n操作带宽不重叠。
6.根据权利要求5所述的级联微波定向放大器，
其中，所述级联微波定向放大器的总放大带宽包括所述第一操作带宽和所述第n操作带宽。
7.根据权利要求1所述的级联微波定向放大器，其中，所述约瑟夫逊器件的集合中的第一约瑟夫逊器件是多路干涉约瑟夫逊定向放大器，包括：
第一非简并微波参量放大器器件；
第二非简并微波参量放大器器件；
第一输入/输出端口，其耦合到所述第一非简并微波参量放大器器件的输入端口和所述第二非简并微波参量放大器器件的输入端口；以及
第二I/O端口，其耦合到所述第一非简并微波参量放大器器件的输入端口和所述第二非简并微波参量放大器器件的输入端口，其中在所述第一I/O端口与所述第二I/O端口之间传送的第一频率的信号当在通过所述第一非简并微波参量放大器器件和所述第二非简并微波参量放大器器件的、所述第一I/O端口到所述第二I/O端口之间的第一方向上传播时被透射，并且当在通过所述第一非简并微波参量放大器器件和所述第二非简并微波参量放大器器件的、所述第二I/O端口到所述第一I/O端口之间的第二方向上传播时基本上不被放大，并且其中所述第一频率在所述第一约瑟夫逊器件的第一操作带宽中。
8.根据权利要求7所述的级联微波定向放大器，还包括：
第一微波泵浦，其以泵浦频率和第一泵浦相位将第一微波驱动注入到所述第一非简并微波参量放大器器件中，其中所述第一微波泵浦被配置为使得所述第一非简并微波参量放大器器件在低功率增益工作点处操作；以及
第二微波泵浦，其以所述泵浦频率和第二泵浦相位将第二微波驱动注入到所述第二非简并微波参量放大器器件中，其中所述第二微波泵浦被配置为使得所述第二非简并微波参量放大器器件在所述低功率增益工作点处操作。
9.根据权利要求7所述的级联微波定向放大器，其中，所述第一非简并微波参量放大器器件和所述第二非简并微波参量放大器器件各自是非简并三波混频参量放大器。
10.根据权利要求7所述的级联微波定向放大器，其中，所述第一非简并微波参量放大器器件和所述第二非简并微波参量放大器器件各自是约瑟夫逊参量转换器(JPC)，并且其中，所述第一非简并微波参量放大器器件和所述第二非简并微波参量放大器器件名义上相同。
11.一种形成级联微波定向放大器的方法，所述方法包括：
制造约瑟夫逊器件的集合，所述集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的相应操作带宽，其中不同的操作带宽具有不同的相应中心频率；以及
在来自所述集合的第一约瑟夫逊器件与来自所述集合的第n约瑟夫逊器件之间形成串联耦合，其中，所述串联耦合使得：
所述第一约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上放大来自频率复用微波信号的第一频率的信号，并且传播而不放大来自所述频率复用微波信号的第n频率的信号，并且
所述第n约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上放大所述第n频率的信号，并且传播而不放大来自所述频率复用微波信号的第一频率的信号。
12.一种超导体制造系统，当其被操作以制造级联微波定向放大器时，执行包括以下步骤的操作：
制造约瑟夫逊器件的集合，所述集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的相应操作带宽，其中不同的操作带宽具有不同的相应中心频率；以及
在来自所述集合的第一约瑟夫逊器件与来自所述集合的第n约瑟夫逊器件之间形成串联耦合，其中，所述串联耦合使得：
所述第一约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上放大来自频率复用微波信号的第一频率的信号，并且传播而不放大来自所述频率复用微波信号的第n频率的信号，并且
所述第n约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上放大所述第n频率的信号，并且传播而不放大来自所述频率复用微波信号的第一频率的信号。
13.根据权利要求12所述的超导体制造系统，还包括：
来自所述集合的、所述串联耦合中的第(n-1)约瑟夫逊器件，其中n大于1，其中所述第(n-1)约瑟夫逊器件被包括在所述第一约瑟夫逊器件与所述第n约瑟夫逊器件之间的串联耦合中，并且其中所述第(n-1)约瑟夫逊器件在所述第一信号流方向上放大来自所述频率复用微波信号的第(n-1)频率的信号。
14.根据权利要求12所述的超导体制造系统，
其中，所述串联耦合使得所述第一约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上传播而不放大来自所述频率复用微波信号的第n频率的信号，并且使得所述第n约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上传播而不放大所述第一频率的信号。
15.根据权利要求12所述的超导体制造系统，
其中，所述串联耦合使得所述第一约瑟夫逊器件和所述第n约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第二信号流方向上传播而不放大来自所述频率复用微波信号所有的频率的信号，其中所述第二信号流方向与所述第一信号流方向相反，并且其中所述第一信号流方向是所述第一约瑟夫逊器件和所述第n约瑟夫逊器件的放大方向。
16.根据权利要求12所述的超导体制造系统，
其中，对应于所述第一约瑟夫逊器件的微波频率的第一操作带宽对于至少一些频率与对应于所述第n约瑟夫逊器件的微波频率的第n操作带宽不重叠。
17.根据权利要求16所述的超导体制造系统，
其中，所述级联微波定向放大器的总放大带宽包括所述第一操作带宽和所述第n操作带宽。
18.根据权利要求12所述的超导体制造系统，其中，所述约瑟夫逊器件的集合中的第一约瑟夫逊器件是多路干涉约瑟夫逊定向放大器，包括：
第一非简并微波参量放大器器件；
第二非简并微波参量放大器器件；
第一输入/输出端口，其耦合到所述第一非简并微波参量放大器器件的输入端口和所述第二非简并微波参量放大器器件的输入端口；以及
第二I/O端口，其耦合到所述第一非简并微波参量放大器器件的输入端口和所述第二非简并微波参量放大器器件的输入端口，其中在所述第一I/O端口与所述第二I/O端口之间传送的第一频率的信号当在通过所述第一非简并微波参量放大器器件和所述第二非简并微波参量放大器器件的、所述第一I/O端口到所述第二I/O端口之间的第一方向上传播时被透射，并且当在通过所述第一非简并微波参量放大器器件和所述第二非简并微波参量放大器器件的、所述第二I/O端口到所述第一I/O端口之间的第二方向上传播时基本上不被放大，并且其中所述第一频率在所述第一约瑟夫逊器件的第一操作带宽中。
19.根据权利要求18所述的超导体制造系统，还包括：
第一微波泵浦，其以泵浦频率和第一泵浦相位将第一微波驱动注入到所述第一非简并微波参量放大器器件中，其中所述第一微波泵浦被配置为使得所述第一非简并微波参量放大器器件在低功率增益工作点处操作；以及
第二微波泵浦，其以所述泵浦频率和第二泵浦相位将第二微波驱动注入到所述第二非简并微波参量放大器器件中，其中所述第二微波泵浦被配置为使得所述第二非简并微波参量放大器器件在所述低功率增益工作点处操作。
20.根据权利要求18所述的超导体制造系统，其中，所述第一非简并微波参量放大器器件和所述第二非简并微波参量放大器器件各自是非简并三波混频参量放大器。
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