CN111418155A - 使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊开关的频率复用微波信号的选择性切换 - Google Patents

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Abstract

级联选择性微波开关(级联体)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。串联耦合形成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。该串联耦合使得处于断开状态的第一约瑟夫逊器件将来自频率复用微波信号(复用信号)的第一频率的信号反射回第一约瑟夫逊器件的输入端口，并且使得处于闭合状态的第n约瑟夫逊器件将复用信号中的第n频率的信号从第n约瑟夫逊器件的输入端口透射到第n约瑟夫逊器件的输出端口。

Description

使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊开关的频率复 用微波信号的选择性切换
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开关的器件、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开关(cascading multi-path interferometric Josephsonswitch)来选择性切换频率复用微波信号的器件、方法和系统，其中该开关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设备，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。
利用这两个原理，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>)。其他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他部分，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。
微波开关是一种当开关处于闭合状态时允许微波光波以基本上无损耗的方式通过(透射)并且当开关处于断开状态时将微波光波反射回发送器(反射)的器件。本文对“开关”的引用是对微波开关的引用。换句话说，开关作为二元微波光桥操作，并且器件的响应取决于器件的状态，而与光信号可能试图从哪个方向穿过开关(从端口1到2或从端口2到1)无关。在量子计算中使用开关，用于根据需要允许或不允许微波信号进出(into and out)量子处理器。
基于非简并三波混频约瑟夫逊器件的多路干涉约瑟夫逊开关在下文中被紧凑地且可互换地称为多路干涉约瑟夫逊开关(Multi-Path Interferometric JosephsonSwitch，MPIJSW)。MPIJSW器件可实施为超导量子电路中的微波开关。MPIJSW是方向不可知器件，其操作由耦合到开关的微波驱动器的相位控制。
通过以频率转换(无光子增益)模式操作超导非简并三波混频器件，该混频器件可用作MPIJSW的一部分。非简并三波混频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器具有3个端口，即信号端口(S)，通过其可以输入频率为fS的微波信号，空闲端口(I)，通过其可以输入频率为fI的空闲微波信号，以及泵浦端口(P)，通过其可以输入频率为fP和相位为
Figure BDA0002508388950000032
的微波信号。在一个配置(不失一般性)中，当相对于彼此比较fP、fS和fI时，fI是高频，fP是低频，fS是中频(即，fI>fS>fP)。超导非简并三波混频器的特征在于非简并，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。
从空闲端口到信号端口，空闲微波信号以频率f2进入空闲端口，被下变频，并以频率f1离开信号端口。从信号端口到空闲端口，微波信号以频率f1进入信号端口，被上变频，并以频率f2离开空闲端口。泵浦微波信号为上变频和下变频提供能量。泵浦频率为fP，其中fP＝fI-fS＝f2-f1。
在谐振时，非简并三波混频器(例如JPC)当在无噪声频率转换下操作时满足以下散射矩阵：
Figure BDA0002508388950000031
其中tanh(iθ/2)＝i|ρ|并且ρ是无量纲泵浦振幅(在0和1之间变化)。
作为对非简并三波混频器的修改，并且如本文进一步认识到的，将根据本文所述的实施例来利用泵浦
Figure BDA0002508388950000041
的相位(对于两个泵浦信号，其可以表示为
Figure BDA0002508388950000042
和
Figure BDA0002508388950000043
)。由于散射矩阵是酉矩阵(unitary)，因此以下关系式保持|r|2+|t|2＝1，其中r是反射系数，t是透射参量，并且t’＝-t*(其中t*是t的共轭)。酉意味着非简并三波混频器保持相位的能量和相干性。超导非简并三波混频器的频率转换工作点为|r|2＝0,|t|2＝1。在频率转换工作点，没有反射，并且频率转换完全透射。
根据说明性实施例，非简并三波混频器的两个适当表现形式被用作MPIJSW中的一个组件，其中每个表现形式都工作在相同的频率转换工作点。JPC就是这样一种非限制性的表现形式。
在量子电路中，微波信号可以包括多于一个频率。通常，微波信号跨过一个频带。MPIJSW通常以MPIJSW经调谐所针对的中心频率周围的相对较窄频带操作。说明性实施例认识到需要一种新的开关设计，其能够切换具有不同的所有或一些微波信号的信号，即使信号的频率位于单个MPIJSW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选择性微波开关(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；以及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处于断开状态的第一约瑟夫逊器件将来自频率复用微波信号(复用信号)的第一频率的信号反射回第一约瑟夫逊器件的输入端口，并且使得处于闭合状态的第n约瑟夫逊器件将来自第n约瑟夫逊器件的输入端口的复用信号中的第n频率的信号透射到第n约瑟夫逊器件的输出端口。
在另一个实施例中，该级联体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，并且其中处于断开状态的第(n-1)约瑟夫逊器件将来自复用信号的第(n-1)频率的信号反射回第(n-1)约瑟夫逊器件的输入端口。
在另一个实施例中，该级联体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，并且其中处于闭合状态的第(n-1)约瑟夫逊器件将复用信号中的第(n-1)频率的信号从第(n-1)约瑟夫逊器件的输入端口透射到第(n-1)约瑟夫逊器件的输出端口。
在另一个实施例中，该串联耦合使得处于断开状态的第一约瑟夫逊器件通过串联耦合透射来自复用信号的该第n频率的信号，并且使得处于断开状态的第n约瑟夫逊器件通过串联耦合透射第一频率。
在另一个实施例中，该串联耦合使得第一约瑟夫逊器件在断开时通过串联耦合从复用信号透射除了第一频率的信号之外的、传入第一约瑟夫逊器件的所有频率的信号，并且其中串联耦合使得第n约瑟夫逊器件在断开时通过串联耦合从复用信号透射除了第n频率的信号之外的、传入第n约瑟夫逊器件的所有频率的信号。
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，该级联体的总切换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MPIJSW，该第一约瑟夫逊器件包括：第一非简并微波混频器器件(第一混频器)；第二非简并微波混频器器件(第二混频器)；第一输入/输出(I/O)端口，其耦合到第一混频器的输入端口和第二混频器的输入端口；以及第二I/O端口，其耦合到第一混频器的输入端口和第二混频器的输入端口，其中当MPIJSW闭合时，在第一I/O端口和第二I/O端口之间传送的第一频率的信号当在通过第一混频器的、第一I/O端口到第二I/O端口之间的任一方向上传播时被透射，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。
在另一个实施例中，该级联体还包括：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混频器中，其中第一微波泵浦被配置为使得第一混频器在频率转换工作点处操作；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混频器中，其中第二微波泵浦被配置为使得第二混频器在该频率转换工作点处操作。
在另一个实施例中，第一混频器和第二混频器各自为非简并三波混频器。
在另一个实施例中，第一混频器和第二混频器各自为约瑟夫逊参量转换器(JPC)，并且其中第一混频器和第二混频器名义上相同。
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MPIJSW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MPIJSW的另一替代配置；
图3描绘了根据说明性实施例的级联MPIJSW的示例配置和全反射操作的框图；
图4描绘了根据说明性实施例的级联MPIJSW的示例透射操作的框图；
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开关来反射或透射频率复用微波信号中的所有频率的信号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MPIJSW的示例配置和选择性切换操作的框图；
图7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开关来传播或切换频率复用微波信号中的一些而非所有频率的信号的示例过程的流程图。
具体实施方式
用于描述本发明的示例性实施例一般地处理和解决了上述对一些或所有频率复用微波信号的信号进行切换的需要。说明性实施例提供了一种开关器件，其包括具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊开关，其中该开关基于非简并三波混频约瑟夫逊器件。这种级联开关器件在此被紧凑地称为级联MPIJSW。
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MPIJSW的配置。另一个实施例提供一种级联MPIJSW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混频器、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MPIJSW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、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他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MPIJSW的示例配置的框图。MPIJSW配置100包括一对102非简并三波混频器102A和非简并三波混频器102B。非简并三波混频器102A和非简并三波混频器102B中的每一个都在分束器工作点(其为频率转换工作点的一个示例)处操作。
非简并三波混频器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)之间的差。
非简并三波混频器102B以类似方式配置有物理端口a2、b2、p2和b2’、以及泵浦频率(fP)。混频器102A的端口b1和混频器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MPIJSW 100的端口1和2，如本文所述。非简并三波混频器102A的端口a1与混合器104的端口3耦合。非简并三波混频器102B的端口a2与混合器104的端口4耦合。
非简并三波混频器102A和102B的这种配置100以及使用所描述的组件的其他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的框内部的触点上的条的状态表示在符号110中从端口1到端口2或从端口2到端口1的信号的开关的透射(闭合)或反射(断开)状态(如该图中描绘的符号110示出断开的开关)。换句话说，MPIJSW 110在闭合时将来自端口2的信号透射到端口1(或从端口1透射到端口2)，但在断开时将来自端口1的传入信号反射回端口1之外(或将来自端口2的传入信号反射回端口2之外)。
MPIJSW器件的这种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，MPIJSW器件的级联体，由于其中使用的MPIJSW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(切换)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MPIJSW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，以透射或反射具有不同频率的所有频率复用微波信号的信号。图6-图7描述了不同的级联配置及其操作方式，以选择性地透射或反射一些但不是所有频率复用微波信号的信号。
参考图3，该图描绘了根据说明性实施例的级联MPIJSW的示例配置和全反射操作的框图。该级联配置反射具有在任何级联MPIJSW器件的带宽内的不同频率的所有频率复用微波信号的信号。MPIJSW器件3021、3022…302N中的每一个是根据符号110的MPIJSW。MPIJSW器件3021-302N表示在配置300中级联的N个MPIJSW器件(N>1)。
MPIJSW器件的级联是MPIJSW器件的串联连接，因而第一MPIJSW(3021)的一个端口(端口1或2)耦合到外部电路以用于接收微波信号输入；第一MPIJSW(3021)的另一端口(对应地，端口2或1)耦合到下一MPIJSW(3022)的一个端口；下一MPIJSW(3022)的另一端口耦合到下一MPIJSW的一个端口，依此类推，直到第N-1个MPIJSW的端口耦合到最后MPIJSW(302N)的端口，并且最后MPIJSW(302N)的另一端口耦合到级联体300向其提供微波信号输出的外部电路。
每个MPIJSW 3021-302N在级联体300中配置，使得每个MPIJSW 3021-302N在断开时将在其端口之一处接收的输入信号反射回相同端口(所有开关都断开)。
此外，级联体300中的每个MPIJSW 3021-302N在基本非重叠的频带中操作。例如，MPIJSW 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，MPIJSW 3022具有中心频率f2，并且BW2为[f2-BW2/2到f2+BW2/2]。并且以类似的方式定义该集合中的MPIJSW器件，直到MPIJSW302N具有中心频率fN，并且[fN-BWN/2到fN+BWN/2]的BWN。BW1…BWN不重叠，或重叠微不足道的量。
级联配置300中的MPIJSW仅对其被调谐的频率带宽中的信号进行操作。换句话说，MPIJSW将仅反射落入其操作带宽内的那些频率的信号。MPIJSW将在两个方向上以基本上无损耗的方式来传递频率在该MPIJSW的操作带宽之外的信号，且不管其断开或闭合状态。
例如，MPIJSW 3021将仅在MPIJSW 3021断开的情况下反射BW1中的频率的信号(基本上防止该频率的信号穿过MPIJSW 3021)，但将允许BW2、BW3、BW4…BWN中的频率的信号以基本上无损耗的方式通过其透射到MPIJSW 3022，而不管MPIJSW 3021是断开还是闭合的状态。MPIJSW 3021将仅在MPIJSW 3021闭合时才允许BW1中的频率的信号通过其透射到MPIJSW3022。配置300中的每个MPIJSW 3021…302N以类似的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300中，MPIJSW 3021反射频率f1的信号，因为MPIJSW 3021在断开时反射BW1中的频率的信号，并且MPIJSW 3021断开且f1在BW1中。MPIJSW 3021允许频率f2…fN的信号通过，而不管其是否断开，因为那些频率在BW1之外。类似地，MPIJSW 3022反射频率f2的信号，因为MPIJSW 3022在断开时反射BW2中的频率的信号，并且MPIJSW 3022断开且f2在BW2中。由于来自MPIJSW 3021的反射，频率f1的信号从未达到MPIJSW 3022。MPIJSW 3022允许频率f3、fi…fN的信号通过，因为那些频率在BW2之外。MPIJSW 302N反射频率fN的信号，因为MPIJSW302N在断开时反射BWN中的频率的信号，并且MPIJSW 302N断开且fN在BWN中。由于来自MPIJSW3021…302N-1的反射，频率f1…fN-1的信号从未达到MPIJSW 302N。因此，如该图所示，复用频率f1、f2…fN的输入信号被级联体300完全反射。
配置300被紧凑地表示为级联MPIJSW 302。因此级联MPIJSW 302可以反射的有效带宽是，
BW＝{[f1-BW1/2到f1+BW1/2]，[f2-BW2/2到f2+BW2/2]，…[fN-BWN/2到fN+BWN/2]}
级联MPIJSW 302的反射带宽BW大于配置300中的任何单个MPIJSW的反射带宽。因此，级联MPIJSW 302可在比单个MPIJSW的操作带宽更宽的带宽上操作。
参考图4，该图描绘了根据说明性实施例的级联MPIJSW的示例透射操作的框图。级联体300、MPIJSW器件3021、3022…302N和级联MPIJSW 302与图3中相同。频率f1在MPIJSW3021的BW1中，f2在MPIJSW 3022的BW2中…fN在MPIJSW 302N的BWN中。
在该图的透射操作中，所有开关都闭合。频率f1、f2…fN的信号在级联体300的输入端口处输入，例如在级联体300中的第一MPIJSW(3021)的端口1(或端口2)处输入。在级联体300中，MPIJSW 3021将频率f1的信号透射到下一开关(MPIJSW 3022)，因为MPIJSW 3021透射频率BW1中的信号并且f1在BW1中。MPIJSW 3021还将频率f2…fN的信号透射到下一开关，因为它们在带宽BW1之外。以这种方式操作，MPIJSW 3021有效地从复用输入微波信号中透射所有频率的信号。类似地，通过与它们相应的带宽BW2…BWN有关的类似推理，第2至第N个MPIJSW中的每一个透射频率f1…fN的信号。
以这种方式操作，每个MPIJSW在闭合时透射该MPIJSW的带宽内的频率的信号，并且透射该MPIJSW的带宽外的那些频率的信号。因此，级联体300有效地执行频率复用微波信号输入的完整透射。
根据配置300的级联MPIJSW 302具有级联MPIJSW 302可在其上透射有效带宽，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MPIJSW 302的透射带宽BW大于配置300中的任何单个MPIJSW的带宽。因此，级联MPIJSW 302可操作以透射频率复用信号，该频率复用信号跨越比单个MPIJSW的操作带宽更宽的带宽。
参考图5，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开关来反射或透射频率复用微波信号中的所有频率的信号的示例过程的流程图。过程500可以使用用于图3和图4中所描述的操作的级联MPIJSW 302来实现。
约瑟夫逊器件的集合中的每个约瑟夫逊器件被配置为MPIJSW(框502)。通过将一个MPIJSW与另一MPIJSW在串联连接中连接而在级联体中连接MPIJSW器件(框504)。串联连接中的MPIJSW器件被配置，使得串联中的所有MPIJSW器件在级联体中同时反射或透射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MPIJSW器件来构建级联体(框506)。
级联体操作以反射(如图3中)或透射(如图4中)包含频率对应于串联中的任何MPIJSW器件的带宽的信号的输入微波信号(框508)。
图6-图7现在描述不同的级联配置及其操作方式，以选择性地反射(并且因此也选择性地透射)频率复用微波信号的一些而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MPIJSW的示例配置和选择性切换操作的框图。这种级联配置仅反射频率复用微波信号中的一些频率的信号。MPIJSW器件6021、6022…602N中的每一个为根据符号110的MPIJSW。MPIJSW器件6021-602N表示在配置600中级联的N个MPIJSW器件(N>1)。
MPIJSW器件的级联为MPIJSW器件的串联连接，因而串联中的MPIJSW可被连接，使得一个或多个MPIJSW器件断开且一个或多个MPIJSW器件同时闭合。例如，通过将第一MPIJSW(6021，其在示例配置600中闭合)的端口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。第一MPIJSW(6021,)的另一端口被耦合到下一MPIJSW(6022，其在示例配置600中断开)的端口。MPIJSW 6022的另一端口耦合到下一MPIJSW的端口，依此类推，直到第N-1个MPIJSW的端口耦合到最后一个MPIJSW的端口(602N，其在实例配置600中闭合)。最后的MPIJSW(602N)的另一端口耦合到级联体600向其提供微波信号输出的外部电路。
不暗示任何限制，并且仅为了描述的清楚，示例配置600被描绘为仅一个MPIJSW(6022)断开。任何数目的MPIJSW器件可串联耦合且断开，并且任何数目的MPIJSW器件可串联耦合且闭合，以构建选择性地反射某些频率的信号的级联体。以这种方式构建的级联体将反射回与断开的MPIJSW器件相对应的那些频率的信号，并且透射与闭合的那些MPIJSW器件相对应的那些频率的信号。
因此，根据来自频率复用微波信号的哪组信号频率必须被透射，具有与这些频率相对应的频带的一个或多个MPJSW 6021-602N被配置为在级联体600中闭合。并且根据来自频率复用微波信号的哪些信号频率必须被反射，具有与这些频率相对应的频带的一个或多个MPIJSW 6021-602N被配置为在级联体600中断开。
此外，级联体600中的每个MPIJSW 6021-602N在基本上非重叠的频带中操作。例如，MPIJSW 6021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，MPIJSW 6022具有中心频率f2，并且BW2为[f2-BW2/2到f2+BW2/2]。并且以类似的方式定义该集合中的MPIJSW器件，直到第(n-1)MPIJSW具有中心频率fN-1，并且BWN-1为[fN-1-BWN-1/2到fN-1+BWN-1/2]；以及MPIJSW 602N具有中心频率fN，并且[fN-BWN/2到fN+BWN/2]的BWN。BW1…BWN不重叠，或重叠微不足道的量。
级联配置600中的MPIJSW仅反射其被调谐的频率带宽的信号。换句话说，MPIJSW在断开时将反射(在来自该MPIJSW的端口2-1或端口1-2的任何方向上流动)落入其操作带宽内的那些频率的信号。MPIJSW将以基本上无损耗的方式在两个方向上传递MPIJSW的操作带宽之外的频率的信号，而不管MPIJSW是断开还是闭合。
例如，MPIJSW 6022将仅在MPIJSW 6022断开的情况下反射BW2中的频率的信号，但将允许BW1、BW3、BW4…BWN-1、BWN中的频率的信号以基本上无损耗的方式通过，而不管MPIJSW6022的状态。当闭合时，MPIJSW 6022将以基本上无损耗的方式在任何方向(端口1-2或端口2-1)上透射不仅在BW2中而且在BW1、BW3、BW4…、BWN-1、BWN中的频率的信号。配置600中的每个MPIJSW 6021…602N以类似的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，MPIJSW 6021向下一MPIJSW(MPIJSW 6022)透射频率f1的信号，因为MPIJSW 6021在闭合时透射BW1中的频率的信号，MPIJSW 6021闭合，并且f1处于BW1中。MPIJSW6021透射频率f2…fN的信号，因为这些频率在BW1之外。然而，MPIJSW 6022在级联体600中被配置为处于断开状态，并且因此反映频率f2的信号，因为MPIJSW 6022在断开时反射BW2中的频率的信号，MPIJSW 6022断开，并且f2处于BW2中。MPIJSW 6022透射频率f1、fi…fN-1、fN的信号，因为这些频率在BW2之外。在反射路径中，f2是带BW1之外，MPIJSW 6021允许在相反方向上透射f2处的信号，使得在f2处的信号被反射回到级联体600的输入端口上的发送器。假设级联体600中的所有其他MPIJSW器件被配置为闭合的，具有f1、f3…fi…fN-1、fN(无f2)处的信号的复用信号到达MPIJSW 602N。MPIJSW 602N透射频率fN的信号，因为MPIJSW 602N在闭合时透射BWN中的频率的信号，MPIJSW 602N闭合，且fN在BWN中。MPIJSW 602N透射频率f1、f3…fi…fN-1的信号，因为那些频率在BWN之外。因此，如该图所示，复用频率f1、f2…fN的输入信号由级联体600以基本上无损耗的方式(零或可忽略衰减)在所选频率f1、f3…fi…fN中透射，其中频率f2的信号已从输入信号选择性地反射回去。
概括起来，如果输入信号(在级联体的一个端口)具有频率fA、fB、fC、fD、fE、fF、fG和fH的信号，则MPIJSW A(在fA处反射信号)、C(在fC处反射信号)、E(在fE处反射信号)、G(在fG处反射信号)闭合，MPIJSW B(在fB处反射信号)、D(在fD处反射信号)、F(在fF处反射信号)和H(在fH处反射信号)断开，则输出信号(在级联体的另一端口)将仅包含fA、fC、fE和fG的信号，并且fB、fD、fF和fH的信号将被反射。
级联体600可以选择性地反射(并因此选择性地透射)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的反射或透射带宽BW大于配置600中的任何单个MPIJSW的反射或透射带宽。因此，级联体600可与频率复用信号一起操作，该频率复用信号跨越比单个MPIJSW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用于使用具有非重叠带宽的级联多路干涉约瑟夫逊开关来传播或切换频率复用微波信号中的一些而非所有频率的信号的示例过程的流程图。过程700可以使用用于图6中描述的操作的级联体600来实现。
约瑟夫逊器件的集合中的每个约瑟夫逊器件被配置为MPIJSW(框702)。通过将一个MPIJSW与另一MPIJSW在串联连接中连接而在级联体中连接MPIJSW器件(框704)。串联连接中的MPIJSW器件被配置，使得串联连接中的至少一些MPIJSW器件(断开MPIJSW器件)将其相应频率的微波信号反射回级联体的输入端口。通过以这种方式串联地添加来自该集合的所有MPIJSW器件来构建级联体(框706)。
级联体操作以选择性地反射(如图6中)频率复用输入微波信号，其中该信号包含对应于串联中的任何断开的MPIJSW器件的频率(框708)。
MPIJSW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”或其任何其他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他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，认为结合其他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设备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)

1.一种级联选择性微波开关(级联体)，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，所述串联耦合使得处于断开状态的第一约瑟夫逊器件将来自频率复用微波信号(复用信号)的第一频率的信号反射回所述第一约瑟夫逊器件的输入端口，并且使得处于闭合状态的第n约瑟夫逊器件将来自所述第n约瑟夫逊器件的输入端口的复用信号中的第n频率的信号透射到所述第n约瑟夫逊器件的输出端口。
2.根据权利要求1所述的级联体，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，并且其中处于所述断开状态的第(n-1)约瑟夫逊器件将来自所述复用信号的第(n-1)频率的信号反射回所述第(n-1)约瑟夫逊器件的输入端口。
3.根据权利要求1所述的级联体，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，并且其中处于所述闭合状态的第(n-1)约瑟夫逊器件将所述复用信号中的第(n-1)频率的信号从所述第(n-1)约瑟夫逊器件的输入端口透射到所述第(n-1)约瑟夫逊器件的输出端口。
4.根据权利要求1所述的级联体，
其中，所述串联耦合使得处于所述断开状态的第一约瑟夫逊器件通过所述串联耦合透射来自所述复用信号的第n频率的信号，并且使得处于所述断开状态的第n约瑟夫逊器件通过所述串联透射所述第一频率。
5.根据权利要求1所述的级联体，
其中，所述串联耦合使得所述第一约瑟夫逊器件在断开时通过所述串联耦合从所述复用信号透射除了所述第一频率的信号之外的、传入所述第一约瑟夫逊的所有频率的信号，并且
其中，所述串联耦合使得所述第n约瑟夫逊器件在断开时通过所述串联耦合从所述复用信号透射除了所述第n频率的信号之外的、传入所述第n约瑟夫逊的所有频率的信号。
6.根据权利要求1所述的级联体，
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。
7.根据权利要求6所述的级联体，
其中，所述级联体的总切换带宽包括所述第一操作带宽和所述第n操作带宽。
8.根据权利要求1所述的级联体，其中，所述约瑟夫逊器件的集合中的第一约瑟夫逊器件是MPIJSW，包括：
第一非简并微波混频器器件(第一混频器)；
第二非简并微波混频器器件(第二混频器)；
第一输入/输出(I/O)端口，其耦合到所述第一混频器的输入端口和所述第二混频器的输入端口；以及
第二I/O端口，其耦合到所述第一混频器的输入端口和所述第二混频器的输入端口，其中当所述MPIJSW闭合时，在所述第一I/O端口和所述第二I/O端口之间传送的第一频率的信号当在通过所述第一混频器的、所述第一I/O端口到所述第二I/O端口之间的任一方向上传播时被透射，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。
9.根据权利要求8所述的级联体，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混频器中，其中所述第一微波泵浦被配置为使得所述第一混频器在频率转换工作点处操作；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混频器中，其中所述第二微波泵浦被配置为使得所述第二混频器在所述频率转换工作点处操作。
10.根据权利要求8所述的级联体，其中，所述第一混频器和所述第二混频器各自是非简并三波混频器。
11.根据权利要求8所述的级联体，其中，所述第一混频器和所述第二混频器各自是约瑟夫逊参量转换器(JPC)，并且其中，所述第一混频器和所述第二混频器名义上相同。
12.一种形成级联选择性微波开关(级联体)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，所述串联耦合使得处于断开状态的第一约瑟夫逊器件将来自频率复用微波信号(复用信号)的第一频率的信号反射回所述第一约瑟夫逊器件的输入端口，并且使得处于闭合状态的第n约瑟夫逊器件将来自所述第n约瑟夫逊器件的输入端口的复用信号中的第n频率的信号透射到所述第n约瑟夫逊器件的输出端口。
13.一种超导体制造系统，当其被操作以制造级联选择性微波开关(级联体)时，执行包括以下的操作：
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，所述串联耦合使得处于断开状态的第一约瑟夫逊器件将来自频率复用微波信号(复用信号)的第一频率的信号反射回所述第一约瑟夫逊器件的输入端口，并且使得处于闭合状态的第n约瑟夫逊器件将来自所述第n约瑟夫逊器件的输入端口的复用信号中的第n频率的信号透射到所述第n约瑟夫逊器件的输出端口。
14.根据权利要求13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，并且其中处于所述断开状态的第(n-1)约瑟夫逊器件将来自所述复用信号的第(n-1)频率的信号反射回所述第(n-1)约瑟夫逊器件的输入端口。
15.根据权利要求13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，并且其中处于所述闭合状态的第(n-1)约瑟夫逊器件将所述复用信号中的第(n-1)频率的信号从所述第(n-1)约瑟夫逊器件的输入端口透射到所述第(n-1)约瑟夫逊器件的输出端口。
16.根据权利要求13所述的超导体制造系统，
其中，所述串联耦合使得处于所述断开状态的第一约瑟夫逊器件通过所述串联耦合透射来自所述复用信号的第n频率的信号，并且使得处于所述断开状态的第n约瑟夫逊器件通过所述串联透射所述第一频率。
17.根据权利要求13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断开时通过所述串联耦合从所述复用信号透射除了所述第一频率的信号之外的、传入所述第一约瑟夫逊的所有频率的信号，并且
其中，所述串联耦合使得所述第n约瑟夫逊器件在断开时通过所述串联耦合从所述复用信号透射除了所述第n频率的信号之外的、传入所述第n约瑟夫逊的所有频率的信号。
18.根据权利要求13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。
19.根据权利要求18所述的超导体制造系统，
其中，所述级联体的总切换带宽包括所述第一操作带宽和所述第n操作带宽。
20.根据权利要求13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MPIJSW，包括：
第一非简并微波混频器器件(第一混频器)；
第二非简并微波混频器器件(第二混频器)；
第一输入/输出(I/O)端口，其耦合到所述第一混频器的输入端口和所述第二混频器的输入端口；以及
第二I/O端口，其耦合到所述第一混频器的输入端口和所述第二混频器的输入端口，其中当所述MPIJSW闭合时，在所述第一I/O端口和所述第二I/O端口之间传送的第一频率的信号当在通过所述第一混频器的、所述第一I/O端口到所述第二I/O端口之间的任一方向传播时被透射，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。
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