CN112368940A - 混合表面声波和微波信号的超导器件的应用 - Google Patents

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Abstract

提供了以与约瑟夫逊环调制器耦合的表面声波谐振器和超导微波谐振器实现的超导器件应用。一种方法可以包括由微波约瑟夫逊混频器从超导器件的超导表面声波谐振器接收表面声波信号，该表面声波信号包括在第一频率谐振的一个或多个声子。该方法还可以包括由微波约瑟夫逊混频器从超导器件的超导微波谐振器接收微波信号，该微波信号包括可以在第二频率谐振的一个或多个光子。进一步，该方法还可以包括由微波约瑟夫逊混频器基于从操作性地耦合到微波约瑟夫逊混频器的微波源接收的微波控制信号来混合表面声波信号和微波信号。

Description

混合表面声波和微波信号的超导器件的应用
背景技术
在量子电路中，将约瑟夫逊环(Josephson ring)调制器耦合到两个超导微波谐振器上，并且在这两个超导微波谐振器所支持的差模与馈送到约瑟夫逊环调制器的非谐振的公共驱动之间进行三路混频。由于将约瑟夫逊环调制器耦合到这两个超导微波谐振器上，器件在差模的频率的选择方面受到限制，这可能引起一个或多个问题。例如，将约瑟夫逊环调制器耦合到低频传输线谐振器可能具有不同问题，诸如占据大面积(例如，大占用面积)。另一个问题是，与约瑟夫逊环调制器的电感相比，与低谐振频率传输线路相关联的线性电感相对较大。这可导致非常低的参与率，这反过来为了其操作又要求谐振器具有非常高的外部品质因数(Qs)。然而，不希望谐振器有高的外部Qs，因为它可能引起非常窄的动态带宽，从而严重限制器件的可用性和实用性。
此外，将约瑟夫逊环调制器耦合到低频的集总元件谐振器可能需要使用大的集总电容和大的集总电感。实践中很难实现大的集总电容和电感。大电容可能具有相当大的损耗(降低器件的内部Q)，因此可能导致相当一大部分的量子信号的丢失。大的几何电感通常受到寄生电容对其实用性的限制。大的动电感通常依赖于难以制造和集成的非常规薄超导体。
发明内容
下面给出概述以提供对本发明的一个或多个实施例的基本理解。本概述不旨在标识关键或重要元素，或描绘特定实施例的任何范围或权利要求的任何范围。其唯一目的是以简化形式呈现概念，作为稍后呈现的更详细描述的前序。在本文描述的一个或多个实施例中是混合表面声波和微波信号的器件、促进表面声波与微波信号之间的无损频率转换的系统、方法、装置和/或计算机程序产品，是用于表面声波和微波信号的非退化参数约瑟夫逊放大器，并且缠结声子模式和光子模式。
根据实施例，一种方法可以包括：由微波约瑟夫逊混频器从超导器件的超导表面声波谐振器接收表面声波信号，该表面声波信号包括在第一频率谐振的一个或多个声子。该方法还可以包括由该微波约瑟夫逊混频器从该超导器件的超导微波谐振器接收微波信号，该微波信号包括可以在第二频率谐振的一个或多个光子。进一步，该方法还可以包括由该微波约瑟夫逊混频器基于从一个微波源接收的微波控制信号对该表面声波信号和该微波信号进行混合，该微波源可操作地联接到该微波约瑟夫逊混频器上。这种方法的优点是可以在超导表面声波谐振器的低微波频率与超导微波谐振器的高微波频率之间进行无耗散的三波混频和放大。另一个优点在于，由表面声波信号携带的量子信息能够以单一方式被转换成微波信号或反之亦然(例如，量子信号的能量和相位相干性被保留)。同样，该量子操作可以通过由该器件接收的单独的微波控制信号(称为泵或泵装置)来控制和启用。
在一些实现方式中，该方法可以包括基于施加在微波信号与表面声波信号之间的频率差施加的泵驱动，由微波约瑟夫逊混频器将量子信息从超导表面声波谐振器传送到超导微波谐振器(和/或从超导微波谐振器传送到表面声波谐振器)。这种方法的优点在于，可以利用微波控制信号来选择其信息被交换或转换的模式。
在一些实现方式中，该方法可以有利地包括基于确定表面声波信号与微波信号的混合将要停止，由微波约瑟夫逊混频器断开超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间的连接或相互作用。进一步，该方法可以包括基于确定表面声波信号与微波信号的混合将被重新启动，由微波约瑟夫逊混频器重新启用超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间的连接或相互作用。这种方法的一个优点在于，微波约瑟夫逊混频器可以控制表面声波信号与微波信号之间的信息传输。
根据一些实施例，该方法可以包括由微波约瑟夫逊混频器基于微波控制信号的第一功率在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间传输量子信息的第一部分。该方法还可以包括由微波约瑟夫逊混频器基于微波控制信号的第二功率在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间传输量子信息的第二部分。这种方法的优点在于，所传输的信息量可以由微波约瑟夫逊混频器和微波控制信号的功率来控制。
另一个实施例涉及一种方法，该方法可以包括从超导表面声波谐振器接收包括在第一频率谐振的一个或多个声子的表面声波信号。该方法还可以包括在频率转换器处从超导微波谐振器接收包括在第二频率谐振的一个或多个光子的微波信号。进一步，该方法可以包括由频率转换器基于从微波源接收的泵信号实现超导表面声波谐振器的第一信息和超导微波谐振器的第二信息之间的无损频率转换。这种方法的优点在于，表面声波和微波信号之间的转换是无损的频率转换。
根据一些实施方式，该方法可包括由频率转换器将传播射频信号映射到超导表面声波谐振器中的声子模式。进一步，该方法可以包括由频率转换器通过施加具有限定频率的微波控制信号(例如，泵)将超导微波谐振器中的声子模式上变频为光子模式。通过无损三波混合交互可以为声子模式的上变频赋能。经上变频的微波信号在离开超导微波谐振器时传播。这种方法的优点在于，可以通过无损三波混合交互将传播声子模式或低频微波信号上变频为传播光子模式(例如，高频微波模式)。
可替代地，该方法可以包括由频率转换器将传播微波信号映射到超导微波谐振器中的光子模式。此外，该方法可以包括由频率转换器通过施加具有限定频率的微波控制信号(例如，泵)将光子模式下变频为在超导表面声波谐振器中的声子模式。通过无损三波混合交互可以为光子模式的下变频赋能。此外，经下变频的表面声波信号可以在离开超导表面声波谐振器时传播。这种方法的优点在于，可以通过无损三波混合交互将传播光子模式(例如，高频微波模式)下变频为传播声子模式或低频微波模式。
根据另一个实施例，提供了一种方法，该方法可以包括：通过约瑟夫逊参数放大器放大进入器件的第一端口的表面声波信号的第一正交和进入器件的第二端口的微波信号的第二正交。进一步，该方法可以包括由约瑟夫逊参数放大器并且通过输出端口输出第一放大信号和第二放大信号，第一放大信号包括第一反射信号和具有频率转换的第一传输信号，第二放大信号包括第二反射信号和具有频率转换的第二传输信号。这种方法的优点在于，该方法可用作低频和高频微波信号的保相量子限制放大器。
在另一个实施例中，提供了一种方法，该方法可以包括由缠结组件将包括第一频率的第一输入信号输入到超导表面声波谐振器中。第一量子位通过超导表面声波谐振器操作性耦合到缠结组件上。该方法还可以包括由缠结组件将包括第二频率的第二输入信号输入到超导微波谐振器中。第二量子位通过超导微波谐振器操作性耦合到缠结组件上。该方法还可以包括由缠结组件输出一个输出信号，该输出信号包括进入超导表面声波谐振器和超导微波谐振器的多个输入场的放大的叠加。这种方法的优点在于，缠结可以在声子模式与光子模式之间。
另一个实施例涉及一种超导器件，该超导器件可以包括电容性耦合到超导表面声波谐振器的第一超导量子位和电容性耦合到超导微波谐振器的第二超导量子位。该超导器件还可以包括约瑟夫逊环调制器，该调制器被连接到超导表面声波谐振器以及超导微波谐振器上。这种超导器件的一个优点是，该器件可以作为一个非退化放大器来运行，并且可以通过由超导表面声波谐振器支持的声子和由超导微波谐振器支持的光子的缠结在这些量子位之间产生缠结。
附图说明
图1是根据本发明实施例的包括约瑟夫逊环调制器的电路的框图。
图2是根据本发明实施例的包括超导表面声波谐振器的电路的框图。
图3是根据本发明实施例的包括耦合到约瑟夫逊环调制器的表面声波谐振器和超导微波谐振器的超导器件的电路的示意图。
图4是根据本发明实施例的系统的示意图，该系统包括用于表面声波(声子)和微波信号(光子)的单一约瑟夫逊混频器。
图5是根据本发明实施例的包括表面声波和微波信号之间的无损频率转换器的系统的示意图。
图6是根据本发明实施例的包括用于表面声波和微波信号的一个非退化参数约瑟夫逊放大器的系统的示意图。
图7是根据本发明实施例的包括声子模式和光子模式的缠结器的系统的示意图。
图8是根据本发明实施例的用于混合表面声波(声子)和微波信号(光子)的方法的流程图。
图9是根据本发明实施例的用于基于微波控制信号的频率混合表面声波和微波信号的方法的流程图。
图10是根据本发明实施例的用于基于微波控制信号的频率和振幅混合表面声波和微波信号的开关(switch)的操作的方法的流程图。
图11是根据本发明实施例的用于基于微波信号的振幅混合表面声波和微波信号的方法的流程图。
图12是根据本发明实施例的用于表面声波和微波信号之间的无损频率转换的方法的流程图。
图13为根据本发明实施例的用于执行从表面声波信号到微波信号的上变频的方法的流程图。
图14为根据本发明的实施例的用于执行从微波信号到表面声波信号的下变频的方法的流程图。
图15是根据本发明的实施方式的用于对表面声波和微波信号执行非退化参数放大的方法的流程图。
图16是根据本发明的实施例的用于缠结量子电路的声子模式和光子模式的方法的流程图。
具体实施方式
以下详细说明仅是说明性的，没有意图限制本发明实施例和/或其应用或用途。此外，没有意图受在前面的背景技术或发明内容部分中或在具体实施方式部分中给出的任何明示或暗示的信息的约束。
现在参考附图来描述本发明的实施例，其中，贯穿全文，相同的附图标记用于指代相同的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明实施例的更透彻的理解。然而，显而易见的是，在不同情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。
由于涉及电路，并且更具体地涉及量子电路，如果将约瑟夫逊环调制器(JRM)耦合到两个超导波谐振器，则在差模的选择方面存在限制。例如，与将JRM耦合到低频传输线谐振器相关联的问题是器件占用了大面积。作为另一示例，与将JRM耦合到低频集总元件谐振器相关联的问题是大电容器是相对损耗性的。由本文所讨论的超导器件、超导电路和方法提供的解决方案是使用超导表面声波谐振器，其是紧凑的，因此可以减少超导器件的尺寸和/或损耗。。
与现有技术的超导器件(例如，使用两个超导微波谐振器的器件)相关的另一个问题在于，现有技术的超导器件被限制在5千兆赫(GHz)和15GHz之间的混合频率。本文讨论的各种超导器件、电路和方法，通过利用超导表面声波谐振器和超导波谐振器来实现在低微波频率(例如，约0.1GHz至约4GHz)和高微波频率(例如，约5GHz至约15GHz)之间的无耗散的三波混频和放大，提供了对该问题的解决方案。
鉴于现有技术超导器件的上述问题，可以实施本文提供的各个方面来以超导器件、超导电路、以及制造它们的方法的形式产生对这些问题的一个或多个解决方案。与传统技术相比，此类系统、器件、电路和方法可以具有减小的尺寸和低损耗谐振器的优点。
根据一些实施例，所述器件可用作表面声波(声子)与微波信号(光子)之间的约瑟夫逊混频器、表面声波与微波信号之间的无损频率转换器、表面声波与微波信号之间的非退化参数约瑟夫逊放大器和/或声子模式和光子模式的缠结器中的一个或多个。
参见图1，电路100包括超导表面声波(SAW)谐振器(称为超导SAW谐振器102)、超导微波谐振器104和约瑟夫逊环调制器(称为JRM 106)。
在包括超导量子位空间的一块量子硬件中，在量子硬件上实现门操作或测量的机制是通过超导SAW谐振器102和/或通过超导微波谐振器104产生微波信号或接收微波信号。电路100可以用作表面声波(声子)与微波信号(光子)之间的约瑟夫逊混频器、表面声波与微波信号之间的无损频率转换器、用于表面声波和微波信号的非退化参数约瑟夫逊放大器以及声子模式与光子模式的缠结器中的一个或多个。
SAW谐振器(例如，超导SAW谐振器102)是用于声子的机电谐振器，其可在大约0.5GHz到5GHz的微波频率下谐振。SAW谐振器(或SAW滤波器)在许多电信应用(例如，移动电话)中使用。SAW谐振器还可用于如本文所述的微波领域中的量子计算应用和量子电路。进一步，SAW可以具有高内部质量(Q)因子，其可超过105。因此，SAW谐振器可以具有非常低的损耗。此外，SAW谐振器非常紧凑。例如，表面声谐振波长非常短(例如，小于1微米或＜1μm)。
超导SAW谐振器102可以是低频器件，超导微波谐振器104可以是高频器件。进一步地，超导SAW谐振器102可以实现在低损耗压电电介质基板上。低损耗压电电介质基板可以包括选自包括石英、砷化镓、铌酸锂和/或氧化锌等的材料组的材料。超导微波谐振器104可以使用集总元件电容和集总元件电感来实现。与超导SAW谐振器102和超导微波谐振器104相关的进一步的细节将在下面关于图2和3来提供。
JRM 106是可以基于约瑟夫逊隧道结的器件。例如，JRM 106可以包括按惠斯通电桥配置设置的一个或多个约瑟夫逊结。该一个或多个约瑟夫逊结可以包括选自包括铝和铌的一组材料中的一种材料。此外，JRM 106可以在微波状态下进行非退化混频，而不造成损失。根据一些实施方式，JRM 106可为色散非线性三波混频元件。
JRM 106可支持两种差模和两种共模(其中一种模式处于零频率，因此不适用于本文所述的一个或多个实施例)。通过将JRM 106耦合到合适的电磁环境(其支持两种差分微波模式)，电路100可以用于执行各种量子处理操作，例如微波域中的无损频率转换，量子极限处的参数放大(例如，微波域中量子信号的放大)，和/或双模挤压的产生。
JRM 106可以包括按惠斯通电桥配置设置的一个或多个约瑟夫逊结。这些约瑟夫逊结被示出为第一约瑟夫逊结108、第二约瑟夫逊结110、第三约瑟夫逊结112和第四约瑟夫逊结114。这些约瑟夫逊结可以形成为环路。进一步，这些约瑟夫逊结可以用于进行如本文所述的混频。
JRM 106还可包含四个附加结(在环路内部)，根据一些实施例，它们可以是分流结。这四个附加结被标记为第一内部结116、第二内部结118、第三内部结120和第四内部结122。这四个内部结可以促进电路100的频率的调谐。可通过施加外部磁通量来获得可调谐性。在这种配置中，这四个内部结(它们大于外环上的结)可以用作将外部约瑟夫逊结分流的线性电感器。通过将外部通量穿过内部回路，JRM 106的总电感可以改变，这可以导致耦合到JRM 106的谐振器的谐振频率的改变。
此外，JRM 106的配置定义了外部结点相遇的点或节点。因而，可以有在JRM 106底部的第一节点124；JRM 106右侧的第二节点126；JRM 106顶部的第三节点128；以及JRM 106左侧的第四节点130。注意，术语底部、右侧、顶部和左侧是为了相对于附图解释所公开的各方面的目的，并且所公开的各方面不限于JRM 106和/或电路100及其相关联的电路的任何特定平面或方向。
可以用这四个节点来定义电路100所托管的差模和共模。这些模式可以是正交的并且彼此不重叠。进一步，如图所示，节点可以是物理正交的。例如，第一节点124和第三节点128彼此垂直，并且第二节点126和第四节点130彼此水平。
可以用这些节点来将JRM 106耦合到超导SAW谐振器102和超导微波谐振器104。例如，可以选择第一组相对节点(例如，第一节点124和第三节点128)以便将JRM 106可操作地耦合到超导SAW谐振器102。第一节点124可以经由第一导线132(或第一引线)耦合到超导SAW谐振器102，并且第三节点128可以经由第二导线134(或第二引线)耦合到第一超导SAW谐振器102。
可以选择第二组相对节点(例如，第二节点126和第四节点130)以便将JRM 106可操作地耦合到超导微波谐振器104。例如，第二节点126可以通过第三导线136(或第三引线)耦合到超导微波谐振器104，并且第四节点130可以通过第四导线138(或第四引线)耦合到超导微波谐振器104。
如图所示，第一导线132和第二导线134可以在超导SAW谐振器102的不同位置耦合到超导SAW谐振器102。进一步地，第三导线136和第四导线138可以在超导微波谐振器104的不同位置耦合到超导微波谐振器104。下文将参见图3提供与耦合位置相关的进一步细节。
超导SAW谐振器102、超导微波谐振器104和JRM 106是频率转换器/混频器/放大器/缠结器器件的部分。该器件可以从连接到该器件的微波端口和/或SAW端口上的其他量子器件接收外部微波光子或声子。
按照本文所述的一个或多个实施例，电路100以及本文所述的其他方面可以在促进量子信息的操作的器件中使用。本文中解释的器件(例如，电路100等)、系统、装置或过程的各方面可以构成体现在机器内(例如，体现在与一个或多个机器相关联的一个或多个计算机可读介质)的机器可执行组件。当由一个或多个机器(例如，计算机、计算设备、虚拟机等)执行时，此类组件可以致使机器执行所述的操作。
在不同实施例中，该器件可以是包括处理器和/或能够与有线和/或无线网络有效和/或可操作地通信的任何类型的组件、机器、系统、装置、设施、设备和/或仪器。可以包含该器件的组件、机器、装置、系统、设备、设施和/或手段可以包括平板计算设备、手持式设备、服务器类计算机和/或数据库、膝上型计算机、笔记本计算机、台式计算机，蜂窝电话、智能电话、消费设备和/或仪器、工业和/或商业设备、手持式设备，数字助理、多媒体因特网电话、多媒体播放器，等等。
在不同实施例中，该器件可以是与多种技术相关联的量子计算器件或量子计算系统，这些技术例如但不限于：量子电路技术、量子处理器、量子计算技术、人工智能技术、医学和材料技术、供应链和物流技术、金融服务技术、和/或其他数字技术。电路100可以采用硬件和/或软件来解决本质上是高度技术性的、不是抽象的并且不能以人类智力活动来执行的问题。进一步，在某些实施例中，所执行的处理中的一些可以由一个或多个专用计算机(例如，一个或多个专用处理单元、具有量子计算组件的专用计算机等)执行以执行与机器学习相关的既定任务。
可以用器件和/或器件的组件来解决通过上述技术、计算机架构等的进步而出现的新问题。该器件的一个或多个实施例可以为量子计算系统、量子电路系统、量子处理器系统、人工智能系统和/或其他系统提供技术改进，并且还可以通过改进量子处理器的处理性能、量子处理器的处理效率、量子处理器的处理特性、量子处理器的时序特性、和/或提高量子处理器的功率效率，对量子处理器(例如，超导量子处理器)提供技术改进。
参看图2，电路200包括超导SAW谐振器102，超导SAW谐振器102可以包括第一超导金属/介质镜(例如，第一布拉格镜202)和第二超导金属/介质镜(例如，第二布拉格镜204)。第一布拉格镜202可以与第二布拉格镜204分开一定距离，该距离是由超导SAW谐振器102支持的半波长的奇数整数倍。布拉格镜包括定位在彼此限定距离处的金属指状体和电介质间隙的相应周期性结构。
根据一些实施例，超导SAW谐振器102可以附接到(例如，实现在)低损耗压电电介质基板(未示出)。低损耗压电电介质基板可以包括选自一组材料的材料，该组材料包括石英、砷化镓、铌酸锂和氧化锌中的一种或多种，或者类似的材料。
进一步，可包括第一叉指式电容器件(或第一IDC器件)206和第二IDC器件208。第一IDC器件206可以耦合在超导SAW谐振器102和JRM 106之间。第二IDC器件208可以耦合在超导SAW谐振器102和外部端口(例如，信号端口212)之间。
例如，第一IDC器件206可以位于超导SAW谐振器102的中心。JRM 106的第一组相对节点可连接到第一IDC器件206的相对节点。例如，JRM 106的第一节点124可连接到第一IDC器件206的第一侧(例如，通过第一导线132)。进一步，JRM 106的第三节点128可连接到第一IDC器件206的第二侧(例如，通过第二导线134)。
约瑟夫逊环调制器的第二组相对节点可以连接到超导微波谐振器104上。例如，JRM 106的第二节点126可以连接到超导微波谐振器104的第一侧(例如，通过第三导线136)。进一步地，JRM 106的第四节点130可以连接到超导微波谐振器104的第二侧(例如，通过第四导线138)。
电路100还可以包括通过第二IDC器件208耦合到超导SAW谐振器102的第一外部馈线210。第一外部馈线210可以连接到信号端口212(例如，射频(rf)源)。第一外部馈线210可以承载超导SAW谐振器102的一个或多个输入信号和一个或多个输出信号。
第二外部馈线214可以耦合到超导微波谐振器104。第二外部馈送线214可连接到惰轮端口216(例如，微波源)。第二外部馈线214可以承载超导微波谐振器104的一个或多个输入信号和一个或多个输出信号。
进一步，JRM 106可以操作性地连接到泵端口218(例如，通过第二导线134或另一导线)。泵端口218可以连接至微波源。泵端口218可以供应电路100的操作所需的能量。例如，在泵功率从泵端口218提供给JRM 106时或之后，超导SAW谐振器102和超导微波谐振器104可以通过JRM 106电连接。然而，当没有通过泵端口218供应电力时(例如，该电源是关闭的)，超导SAW谐振器102和超导微波谐振器104可以彼此电绝缘。
为了放大，理想地，将有微波信号在与惰轮端口216连接的惰轮传输线(例如，第二外部馈线214)上传播。在一个示例中，假设微波信号较弱，携带一些有价值的量子信息。该信息进入电路100并且有一个泵音调被馈送到该器件(例如，通过泵端口218)，该泵音调可以在惰轮模式与由超导SAW谐振器102支持的信号模式之间产生参数放大。在该示例中，并非在信号端口212和惰轮端口216两者处都需要输入信号。相反，仅在一个端口上需要信号，而量子噪声可以通过另一个端口进入。携带量子信息和量子噪声的确定性信号可以由该器件通过泵驱动进行混频并且在离开该器件时放大。因此，承载信息的信号可以来自信号端口212或惰轮端口216，或者可以具有基本上同时进入两个端口的两个承载信息的信号。为了简单起见，假设信号通过一个端口进入电路100，另一个端口仅接收量子噪声。在这种情况下，通过与泵(例如，泵端口218)和JRM 106的交互，在共模(泵)和两个差模(惰轮和信号)之间发生三波混频。如果泵频率是信号与惰轮谐振频率之和，则该器件用作在量子极限附近操作的保相参数放大器。从信号端口210和惰轮端口216离开的相应输出信号可以是进入两个端口(例如，信号端口210和惰轮端口216)的输入信号的放大叠加。
根据某些实现方式，可以通过一个或多个外部超导磁性线圈来感应穿过JRM106的磁通量。例如，可以用附接到器件封装上的多个外部超导磁性线圈或用片上通量线来感应穿过JRM 106的磁通量。
参见电路300，该电路包括耦合到约瑟夫逊环调制器的表面声波谐振器和超导微波谐振器。
应注意，为了简单起见，在图3中未标记JRM 106的约瑟夫逊结和四个内部结。然而，为了说明的目的，结的元件编号与图1和图2的标记相同。另外，根据一些实施例，电路300及其相关联的组件可以在单个芯片上实现。
如所提到的，JRM 106的节点可以包括第一组相对节点，它们可以被定向在彼此的垂直方向上。例如，第一组相对节点可以包括第一节点124和第三节点128，它们可以将JRM106操作性地耦合到超导SAW谐振器102上(例如，通过第一导线132和第二导线134)。进一步，JRM 106的节点可以包括第二组相对节点，它们可以以水平方式定向。例如，第二组相对节点可以包括第二节点126和第四节点130，它们可以将JRM 106操作性地耦合到超导微波谐振器104上。应注意，虽然相对于水平方向和/或垂直方向进行了图示和描述，但所公开的方面不限于此定向，且可利用其他定向。
第一组相对节点(例如，第一节点124和第三节点128)可以耦合到超导SAW谐振器102的第一叉指式电容器或第一IDC 302(例如，第一IDC器件206)的相对电极，从而产生第一正交模式。例如，JRM 106的第一节点124可以耦合到在304处指示的、第一IDC 302的第一电极。进一步，JRM 106的第三节点128可耦合到第一IDC 302的第二电极(在306处指示)。第一IDC 302可以位于超导SAW谐振器102的中心。
第二组相对节点(例如，第二节点126和第四节点130)可以耦合到形成超导微波谐振器104的第二电容器310(例如，一个分流电容器)上，其中该JRM是该谐振器的电感元件。该超导微波谐振器可以支持JRM 106的一个第二正交差模。电容(例如，第一电容器308)充当(由JRM 106和第二电容器310形成的)微波谐振器与器件的外部馈线/端口(例如，惰轮端口216)之间的耦合电容器。根据一些实施例，第一电容器308及第二电容器310可为选自包含间隙电容器、叉指式电容器和/或板电容器的电容器组的相应电容器。在板电容的情况下，介电材料在单个微波光子水平上应当具有非常低的损耗。
如图所示，超导SAW谐振器102可以包括第一IDC 302、第二IDC 312(例如，第二IDC器件208)和一组金属/电介质镜(例如，第一布拉格镜202和第二布拉格镜204)。超导SAW谐振器102的部件(例如，第一IDC 302、第二IDC 312、第一布拉格镜202、第二布拉格镜204)在压电基板上实现。例如，压电基板可以包括石英、砷化镓、铌酸锂、氧化锌和/或类似材料中的一种或多种。
可以利用不同的端口来访问超导SAW谐振器102和超导微波谐振器104。例如，信号端口212可以用于访问超导SAW谐振器102，而惰轮端口216可以用于访问超导微波谐振器104。
信号端口212可以用于承载输入信号和输出信号。因此，为了测量来自超导SAW谐振器102的输出信号，可以在第一布拉格镜202和第二布拉格镜204之间放置一个IDC(例如，第二IDC 312)。一组连接在一起的IDC指状体位于所支持的声子模式的rf电压反节点(最大值/最小值)处。因此，指状体之间的间距可以由超导SAW谐振器102所支持的波长来确定。
IDC(例如，第一IDC 302和第二IDC 312)的两个连续指状体的中心之间的距离一般可以表示为λa/2。根据实现方式，IDC的相应两组指状体可以具有相反的极性。指状体指状体进一步，如线条314所示，可以将第一布拉格镜202和第二布拉格镜204彼此分开一段距离，该距离是超导SAW谐振器102所支持的半波长的奇数整数倍。所定义的距离可以表示为La，其中，La是λa/2的奇数整数倍。其中，λb＜λa。
微波音调的特征在于具有最大振幅和最小振幅的波。最小振幅应耦合到IDC的一个指状体(例如，在304或306处指示的)，最大值应耦合到另一指状体(例如，在304或306处指示的)，其中两个指状体连接到JRM 106的相对节点(例如，第一节点124和第三节点128)。因此，可以选择距离λb/2以促进第一指状体上的最大值和另一指状体上的最小值。
此外，为了说明的目的，最大振幅具有正号(或正值)，最小振幅具有负号(或负值)。因此，JRM 106的两个相对节点可由正的(在第一指状体上)和负的rf电压(在第二指状体上)激发。这些信号可随时间交替。然而，在任何给定时间，它们应该彼此相对。当极性不同时，可以称为差模(其中差表示相反的符号)。。
这也可以适用于超导微波谐振器104的情况。如所提到的，超导微波谐振器可以包括一个将谐振器耦合到外部端口(例如，该惰轮端口216)上的第一电容器308和将JRM 106分流的第二电容器310。分流JRM 106的电容器的两个电极(例如，第二电容器310)可以具有相反的电压并且可以激发第二差模。因而，JRM 106的第一差模由超导SAW谐振器102支持，JRM 106的第二差模由超导微波谐振器104支持。
此外，为了执行混频或放大，供应微波能量以用于器件操作。用于混频和/或放大的能量源通过泵端口218供应。泵端口218可以提供微波信号，该微波信号可以是强的、相干的、非谐振的微波音调，该微波音调可以为电路100提供操作的能量。根据一些实施方式，由泵端口218供应的微波信号可以包括满足基于电路100中发生的三波混频的能量守恒定而确定的限定公式的频率。
在由器件执行的放大的实例中，第一信号fa位于超导SAW谐振器102的带宽内，第二信号fb位于超导微波谐振器104的带宽内。进一步，第二信号的频率可以大于第一信号的频率(fb>fa)。为了放大这两个信号，通过泵端口218馈送的泵音调的频率应当是第一信号和第二信号之和(例如，fa+fb)。电磁信号的能量与其频率成比例。通过将泵(例如，泵端口218)频率取为该和，如果泵与色散非线性介质(例如，JRM 106)交互，那么可能发生其中泵的高能光子分裂成频率fa的第一组声子和频率fb的第二组声子的下转换过程。如果频率是该和，则光子可能以这种方式分裂。例如，光子可以分成两半：较低频率fa的第一半(例如，第一组光子)和较高频率fb的第二半(例如，第二组光子)。因此，由于泵与信号模式和惰轮模式交换能量并且通过该交换在两种模式中产生缠结的光子，所以可以发生放大。类似地，具有非声子-光子增益的转换过程可将一种模式转换成另一种模式(例如，将光子转换成声子或将声子转换成光子)。在这种情况下，泵频率应等于fa与fb之间的差。这里，fb较大，所以公式可以是fb减去fa。
根据一种实现方式，在混频过程(没有光子-声子增益的转换)中，处于信号频率的SAW谐振器中的声子可被上变频为处于惰轮频率的微波谐振器中的微波光子。根据另一实现方式，处于惰轮频率的微波谐振器中的光子可被下变频为处于信号频率的SAW谐振器中的声子。能量交换由泵驱动赋能(例如，通过泵端口218馈送)。因此，或者发射泵光子或者吸收泵光子以促进该过程。
如果没有泵信号被施加到泵端口218，则超导SAW谐振器102和超导微波谐振器104被分离(例如，彼此隔离)，在超导SAW谐振器102和超导微波谐振器104之间不发生信息交换或信息通信。在泵信号被施加到泵端口218时或之后，它激发JRM 106的共模，如图2所示，超导SAW谐振器102和超导微波谐振器104相互作用并且交换信息。
根据一些实施方式，泵驱动通过180度混频器件316的西格玛端口馈送，该端口电容性耦合到JRM 106的相对节点，后者又激发JRM 106的共模。根据一些实现方式，180度混频器316用作功率分配器。
作为说明而非限制，180度混频器是包括四个端口的无源微波组件。第一端口称作加和端口318(或西格玛端口)。如果信号被输入到加和端口318，则该信号在两个其他端口(例如，第二端口320和第三端口322)之间平均分配。从第二端口320和第三端口322输出的信号可以具有相同的相位。由此，之所以将第一端口称为加和端口318，是因为分裂的信号的相位相等。泵驱动(例如，泵端口218)可被馈送通过180度混频器316的加和端口318加和端口加和端口加和端口混频器。
混频器混频器第四端口可称作增量端口324(或差端口)。如果通过180度混频器的A端口324(其在图3中以50欧姆终止)注入信号，混频器会将信号分成从两个端口(例如，第二端口320和第三端口322)出来的两个信号，但是分裂的信号具有180度的相位差。例如，如果第一信号在一个端口(例如320)处具有最大值，则在另一个端口(例如322)处的第二信号具有最小值。泵端口218可以通过加和端口318被馈送。
还示出了从第二端口320引出的第一引线326和从第三端口322引出的第二引线328。如上所述，在第二端口320和第三端口322处输出的信号是泵信号的一半并且具有相同的相位。这些信号遇到可以耦合到JRM 106的两个相对节点的小耦合电容器(例如，第一耦合电容器330和第二耦合电容器332)。根据一些实施例，第一耦合电容器330及第二耦合电容器332可以是从包含间隙电容器、叉指式电容器和板电容器的电容器组中选择的相应电容器。由于介电材料与板电容器有关，因此介电材料应在单微波光子水平上的损耗应该非常低。
第一耦合电容器330可以耦合到JRM 106的第一节点124(通过第一IDC 302)，并且第二耦合电容器332可以耦合到JRM 106的第三节点128。更详细地，第一引线326和第二引线328可以耦合到第一IDC 302的两组不同的指状体(在第一接触点306和第三触点334处示出)，这两组不同的指状体耦合到JRM 106的两个相对节点。这种连接使得能够激发JRM 106的共模，其中JRM 106的两个相对节点被激发，不是用相反的rf电压符号，而是用相等的符号。例如，可以用正-正信号或负-负信号来激发两个相对的节点。
第一引线326和第二引线328可以是在180度混频器的端口(例如，第二端口320、第三端口322)与耦合电容器(例如，分别与第一耦合电容器330和第二耦合电容器332)之间的长度应当相等(例如，相位匹配)的连接超导线。混频器。而且，第一导线132和第二导线134可以连接超导线，这些超导线的长度应该在JRM 106的相对节点与第一IDC 302的电极之间相等(例如，相位匹配)。同样，第三导线136和第四导线138可以是在JRM 106的相对节点与第二电容器310的电极之间的长度应当相等(例如，相位匹配)的连接超导线。此外，连接超导线应尽可能短和宽(例如，具有小的串联电感)。
下面提供进一步的技术评论以理解本文公开的各个方面。各种压电基板中的声速可比光速慢若干数量级(例如，约五个数量级，例如105)。
超导SAW谐振器102的有效长度可略大于La。这可能是因为离开布拉格镜的反射不在反射镜边缘上发生，而是在布拉格镜内部的某个穿透深度内发生。
超导SAW谐振器102的有效长度(Leff)和压电基板中的声速(vs)可以确定无空腔频谱范围(FSR)：
Figure BDA0002883689040000171
SAW谐振器可以类似于支持多模(谐振)的光子腔。无空腔频谱范围参数可以确定超导SAW谐振器102所支持的多模之间的频率间隔。
布拉格镜之间的间距越大，Leff越大，并且因此SAW谐振器模式之间的频率分离越小。在特定带宽内，布拉格镜可以作为反射镜操作。超出其带宽的模式不被SAW谐振器支持，因为它们的声子模式不受限制。
取决于VFSR和布拉格镜的带宽，电路100可在SAW谐振器的单个、几个或许多模式上操作。注意，不是SAW谐振器支持的所有模式都要强耦合到JRM。电路100中的三波混频操作可以用强耦合到JRM的声子模式发生。当模式的反节点与耦合到JRM的IDC指状体对准时，模式强耦合到JRM。
电路100可以是一个三波混频器，诸如依赖约瑟夫逊结的非线性电感的约瑟夫逊混频器，其是无损耗的。约瑟夫逊混频器被用于允许在由超导SAW谐振器102支持的声子与由光子携带的微波信号之间的混频。这与将声子耦合到声子或将光子耦合到光子的常规器件不同。因此，所公开的各方面提供了耦合方面的显著改进。例如，电路100可以允许从微波信号转换成在低微波频率谐振的声波。此外，电路100能够以非退化方式放大。在此，非退化(nondegenerate)的意思是：(1)电路100放大两个不同的频率：一个频率处于高微波频率(实例12GHz)，另一个频率处于相对低的微波频率(实例1GHz)，因此，非退化意味着频率不同，因此存在频谱非退化；以及(2)还存在空间非退化，因为微波信号由超导微波谐振器104支持，该超导微波谐振器104物理上不同于支持表面声波的超导SAW谐振器102。因此，存在光谱和物理非退化性。由于这种非退化的参数放大过程，电路100可以使声子模式与光子模式缠结，其中，缠结是一种量子特性，其中，这两个模式彼此强相关并且彼此不可分离。因此，如果对一个进行测量，则可以确定另一个的状态。因此，它们缠结并且它们形成一个实体，尽管它们可以在空间上相隔距离。
参见图4，系统400包括用于表面声波(声子)和微波信号(光子)的单一约瑟夫逊混频器。系统400可以包括电路100的组件和/或功能中的一个或多个，反之亦然。
系统400可以包括一个微波约瑟夫逊混频器402(例如，图1的电路100)。传统上在通信或其他微波应用中使用的混频器可以将微波信号混合在一起。然而，传统的混频器并不如本文所述的那样并且通过微波约瑟夫逊混频器402来促进以一种无损的方式将SAW波和微波信号混合在一起。
微波约瑟夫逊混频器402可以从(电路100的)超导SAW谐振器102接收表面声波信号(例如，SAW信号404)。SAW信号404可以包括可在第一频率谐振的一个或多个声子。进一步，微波约瑟夫逊混频器402可以从(电路100的)超导微波谐振器104接收微波信号406。微波信号406可以包括可以以第二频率谐振的一个或多个光子。例如，可以有可支持SAW信号404的第一端口(例如，信号端口212)和可支持微波信号406的第二端口(例如，惰轮端口216)。此外，第三端口(例如，泵端口218)可以支持微波控制信号408(也被称为微波驱动信号)。
微波控制信号408可以具有比微波信号406大的第三频率(fd)，微波信号406可以具有比SAW信号404的第一频率f1大的第二频率(f2)。在示例中，微波控制信号408频率(fd)可以等于微波信号406频率(f2)的绝对值减去SAW信号404频率(f1)。这可以被表示为：fd＝|f2-f1|。
微波约瑟夫逊混频器402可以用作支持声子的SAW信号404与由光子携带的微波控制信号408之间的无损微波约瑟夫逊混频器。通过解释而非限制的方式，与标准微波约瑟夫逊混频器术语相比较，SAW信号404频率(f1)可以与中频(IF)相关，微波信号频率(f2)可以与射频(RF)相关，并且微波控制信号408(或驱动信号)的频率fd＝|f2-f1|，可以与本地振荡器(LO)相关。
可以使用微波约瑟夫逊混频器402和微波控制信号408，将由超导SAW谐振器102携带和/或存储的量子信息传输到超导微波谐振器104/从超导微波谐振器104传输。因此，微波约瑟夫逊混频器402可以基于从一个微波源接收的(例如，通过泵端口218馈送的)微波控制信号408，将SAW信号404与微波信号406进行混合。
微波约瑟夫逊混频器402可以基于微波控制信号408的第一频率，将信息从超导SAW谐振器102传送到超导微波谐振器104。在另一个实例中，微波约瑟夫逊混频器402可以基于微波控制信号408的第二频率，将信息从超导微波谐振器104传送到超导SAW谐振器102。例如，一个微波源(例如，在泵端口218处)可以在第一频率下运行，以用于将第一信息从超导SAW谐振器102向超导微波谐振器104的第一传送。进一步，该微波源可以在第二频率下运行，以用于将第二信息从超导微波谐振器104向超导SAW谐振器102的第二传送。
应注意，在图4中，信号在超导SAW谐振器102上输入，通过超导微波谐振器104输出。然而，器件可以是双向的，信号可以在超导微波谐振器104上输入，在超导SAW谐振器102上输出。在这两种情况下，泵频率是相同的。
根据一些实施方式，微波约瑟夫逊混频器402可以用作将超导SAW谐振器102连接到超导微波谐振器104和/或将超导SAW谐振器102从超导微波谐振器104断开的开关。连接和/或断开可以基于微波控制信号408的存在或不存在。例如，如果没有微波控制信号408，超导SAW谐振器102和超导微波谐振器104没有连接(例如，在这些谐振器之间没有信息传送)。然而，如果有微波控制信号408，则微波约瑟夫逊混频器402可以协助超导SAW谐振器102与超导微波谐振器104之间的信息传送。
此外，微波控制信号408的振幅可通过产生微波控制信号408的微波源来修改。微波控制信号408的振幅可以决定是在两个谐振器/模式之间传送(转换)量子信息的全部还是部分。因此，微波约瑟夫逊混频器402可以利用微波控制信号408的频率来选择信息被交换或转换的模式。进一步，微波约瑟夫逊混频器402可以保存所传送的量子信号(信息)的能量和相干性。
参见图5，系统500包括表面声波和微波信号之间的无损频率转换器。系统500可以包括电路100、系统400的组件和/或功能中的一个或多个，反之亦然。
如图所示，系统500可以包括超导SAW谐振器102、超导微波谐振器104和JRM 106。在这种操作模式中，微波控制信号408(在泵端口218处)的振幅可以使得能够在超导SAW谐振器102与超导微波谐振器104之间完全转换量子信息。进一步关于此操作模式，信号载波的微波频率可以被上变频或下变频(分别取决于器件的输入信号是SAW信号404还是微波反射信号508)。
更详细地，在大约0.5GHz到大约5GHz的范围内的传播射频(RF)信号可以被映射到超导SAW谐振器102中的声子模式。通过施加引起无损的三波混合交互的微波控制信号408，声子模式可以被上变频为超导微波谐振器104。经上变频的微波信号在离开超导微波谐振器时可以变得传播。在系统500中也可以在频率转换器502(例如，图1的电路100)发生相反的过程，并且如SAW反射信号506所示。因此，信号的频率可以从f1转换为f2，或者从f2转换为f1。
可以利用泵信号(例如，微波控制信号408)来促进转换。例如，SAW信号404可以在传输线504上传播，该传输线504可以被映射为超导SAW谐振器102中的声子模式。由此，该频率转换器可以从超导SAW谐振器102接收可以包括以第一频率谐振的一个或多个声子的SAW信号404。
SAW信号404可以在JRM 106处经历三波混合。为了促进三波混合，频率转换器502可接收微波控制信号408。
在三波混合时或之后，JRM 106可以将SAW信号404上变频成微波信号406。经上变频的信号可在惰轮端口216处退出并且可在传输线504上传播。例如，频率转换器502可以基于从微波源接收的泵信号(例如，微波控制信号408)实现超导SAW谐振器102的第一信息与超导微波谐振器104的第二信息之间的无损频率转换。相反的过程以类似的方式操作。
微波控制信号408频率(fd)可以等于微波信号406频率(f2)减SAW信号404频率(f1)的绝对值。这可以被表示为：fd＝|f2-f1|。因此，微波控制信号频率的第一值可以等于超导微波谐振器104和超导SAW谐振器102的谐振频率之间的频率差的绝对值。
根据一些方面，无损频率转换的实现可以包括将传播射频信号映射为超导SAW谐振器102中的声子模式。进一步针对这些方面，频率转换器502可以通过施加具有限定频率的微波控制信号(例如，微波控制信号408)来将超导微波谐振器104中的声子模式上变频为光子模式。通过无损的三波混合交互来促进声子模式的上变频。进一步，经上变频的微波信号可以在离开超导微波谐振器104时传播。
根据一个方面，实现无损频率转换可以包括将传播射频信号映射为超导微波谐振器104中的光子模式。进一步针对这些方面，频率转换器502可以通过施加具有限定频率的微波控制信号408将光子模式下变频为超导SAW谐振器102中的声子模式。可以通过无损三波混合交互来促进光子信号的下变频。进一步，经下变频的表面声波信号可以在离开超导SAW谐振器102时传播。
根据一些实施例，频率转换器502可以基于微波控制信号408的频率从超导SAW谐振器102向超导微波谐振器104传送信息。另外地或可替代地，频率转换器502可以基于微波控制信号的频率从超导微波谐振器向超导表面声波谐振器传送信息(例如，量子信息)。
系统500(以及本文所述的其他系统)中的转换过程可以是部分的。因此，可以将第一组信息转换，而将第二组信息保留并且反射回到相应的输入端口。进一步，可以使用开关(例如，由JRM 106和微波控制信号408的存在和/或不存在来实现)来转换一些信息，其中，频率决定了哪个SAW模式作为选择器和/或开关耦合到微波信号。在使用开关的情况下，如果没有泵信号，则没有转换。
参见图6，系统600包括用于表面声波和微波信号的非退化参数约瑟夫逊放大器。系统600可以包括电路100、系统400、系统500的组件和/或功能中的一个或多个，并且反之亦然。
系统600可以包括约瑟夫逊参数放大器602，其可用作低频和高频微波信号的保相量子限制放大器。进入两个端口(例如，信号端口212和惰轮端口216)的输入微波信号的两个正交可以在量子极限处被放大。放大的输出信号可以包括放大的SAW信号604和放大的微波信号606。放大的输出信号可以包括从相同端口反射的同频信号以及发射到另一端口的经频率转换的信号。将输入信号表示为小箭头(例如，弱信号)，且将输出信号表示为较大箭头以指示放大。微波信号和其他参数信号可以由两个正交来定义，即，信号的振幅和信号的相位。
更详细地，可以将传播的射频和微波信号可以分别映射为超导SAW谐振器102的声子模式中的至少一个和超导微波谐振器104中的微波模式中的至少一个。根据一些实施方式，声子模式和微波模式可为基本模式，然而，所公开的各方面不限于基本模式，且可利用其他模式。声子模式和微波模式可通过施加引起无损的三波混合交互的微波驱动信号在量子极限处被放大，被映射回反射(例如，相同频率)和传输(例如，不同频率)的放大的射频/微波信号。
系统700的放大是非退化的。因此，这两种模式可以具有两个不同的频率并且可以具有两个不同的端口。系统600产生的放大可以保留微波信号的相位。因此，系统600可将微波场的两个正交放大相同或相似的量。例如，如果一个正交放大100倍，则另一个正交也放大100倍。
根据一些实施方式，约瑟夫逊参数放大器602可以放大进入第一端口(例如，信号端口212)的SAW信号404的第一正交和进入第二端口(例如，惰轮端口216)的微波信号406的第二正交。第一正交可包括第一振幅和第一相位，并且第二正交可包括第二振幅和第二相位。进一步，可以通过输出端口输出第一放大信号。第一放大信号包括第一反射信号和第一传输信号，第二放大信号包括第二反射信号和第二传输信号。放大可以包括以定义的振幅增益放大表面声波信号的第一正交和微波信号的第二正交。
例如，第一反射信号可包括从第一端口反射的第一同频信号，并且第一传输信号可包括传输至第二端口的第一频率转换信号。此外，第二反射信号可以包括从第二端口反射的第二同频信号，并且第二传输信号可以包括传输到第一端口的第二频率转换信号。
参照图7，系统700包括声子模式的缠结器。系统700可包括电路100、系统400、系统500、系统600的组件和/或功能中的一个或多个，反之亦然。
系统700可以包括可以在声子模式与光子模式之间产生缠结的缠结组件702。系统700还可以包括电容性耦合到超导SAW谐振器102的第一超导量子位704和电容性耦合到超导微波谐振器104的第二超导量子位706。进一步，JRM 106可以耦合到超导SAW谐振器102和超导微波谐振器104。系统700中还可以包括泵驱动(例如，通过泵端口218馈送)，其通过第一耦合电容器330且通过第二耦合电容器332操作性耦合到JRM 106的两个相邻节点。
根据一个实现方式，泵端口218可以将包括第一频率的输入信号输入到JRM106中。第一超导量子位704可以通过超导SAW谐振器102操作性耦合到缠结组件702上，并且第二超导量子位706可以通过超导微波谐振器104操作性耦合到缠结组件702上。进一步，缠结组件702可以输出包括缠结信号的输出信号，该缠结信号包括超导SAW谐振器102的第二频率和超导微波谐振器104的第三频率。根据一些实施例，缠结组件702可以在由超导SAW谐振器102输出的表面声波的一个或多个声子(例如，放大的SAW信号604)与由超导微波谐振器104输出的一个或多个微波光子(例如，放大的微波信号606)之间产生缠结信号。
当缠结组件702用作非退化放大器时，可以在由超导SAW谐振器102支持的SAW信号的声子与由超导微波谐振器104支持的微波光子之间产生缠结。例如，可以利用该缠结来缠结电容性耦合到缠结组件702的超导量子位。注意，在实践中，这些量子位不直接耦合到缠结组件702上。相反，这些量子位耦合到微波读出谐振器上，微波读出谐振器进而耦合到缠结组件702上。
根据一些实施方式，参数放大可产生缠结。当反射信号不是纯粹放大的输入信号而是输入信号的缠结形式时，可能会发生缠结。例如，缠结信号可以包括来自另一个端口的一些信息。注意，信号不是简单地被增益反射或放大反射。由于发生了三波混频，信号的一部分被反射，另一部分也被频率转换并传输到另一端口。例如，输出微波信号不纯粹是放大的输入微波信号，而是还具有被放大和上变频的SAW信号的一部分。因此，输出微波信号可以是通过惰轮端口216的反射输入微波信号和通过信号端口212进入的经频率转换的发射SAW信号的混合。因此，输出的微波信号可以承载包括两个输入信号的部分的信息。
如图所示，可以有图示为第一超导量子位704和第二超导量子位706的一个或多个量子位耦合到缠结组件702。注意，为了简化的目的，未示出第一超导量子位704与缠结组件702之间的保护元件(例如，保护量子位免受放大信号干扰的部件)以及第二超导量子位706与缠结组件702之间的保护元件(如微波环形器和隔离器)。泵频率fd是两个频率的和。因此，第一超导量子位704的信息可以与第二超导量子位706的信息缠结。由此，第一超导量子位704和第二超导量子位706可以有效地缠结在一起。
例如，可以对第一超导量子位704进行第一测量并且可以对第二超导量子位706进行第二测量。第一测量和第二测量进入缠结组件702并且在输出处被放大。因此，可以进行第一测量和第二测量的联合测量。联合测量在第一超导量子位704与第二超导量子位706之间产生缠结。在这种配置中，第一超导量子位704可以强耦合到多模，而第二超导量子位706可以耦合到单模。
图8是用于混合表面声波(声子)和微波信号(光子)的示例非限制性方法800的流程图。
在方法800的802，(例如，通过微波约瑟夫逊混频器402)可以接收包括可以在低频率谐振的一个或多个声子的表面声波信号(例如，SAW信号404)。可以从器件(例如，电路100)的超导表面声波谐振器(例如，超导SAW谐振器102)接收表面声波信号。例如，来自量子系统的外部信号进入器件端口，并且可以被映射到微波谐振器和SAW谐振器中的声子和光子模式。
进一步，在方法800的804，(例如，通过微波约瑟夫逊混频器402)可以接收包括可以在第二频率下谐振的一个或多个光子的微波信号(例如，微波信号406)。可以从超导微波谐振器(例如，超导微波谐振器104)接收微波信号。
在方法800的806，(例如，通过微波约瑟夫逊混频器402)可以混合表面声波信号和微波信号。可以基于从(例如，通过泵端口218馈送的)微波源接收的微波控制信号(例如，微波控制信号408)进行混合。根据一些实施方式，混合表面声波信号与微波信号可以包括由微波约瑟夫逊混频器和微波控制信号保留由表面声波信号和/或微波信号承载的量子信息。由此，来自量子系统的外部信号进入器件端口，并被映射到微波谐振器和SAW谐振器中的声子和光子模式。
方法800可以在超导表面声波谐振器的低微波频率与超导微波谐振器的高微波频率之间执行无耗散的三波混合和放大。进一步，由表面声波信号携带的量子信息能够以单一方式(例如，量子信号的能量和相位相干性被保留)被转换成微波信号或反之亦然。此外，该量子操作可以由器件接收的单独的微波控制信号(称为泵)来控制和赋能。
图9是基于微波控制信号的频率来混合表面声波和微波信号的方法900的流程图。
在方法900的902，(例如，通过微波约瑟夫逊混频器402)可以混合表面声波信号(例如，SAW信号404)和微波信号(例如，微波信号406)。例如，可以由微波约瑟夫逊混频器基于从操作性耦合到微波约瑟夫逊混频器的(例如，通过泵端口218馈送的)微波源接收的微波控制信号(例如，微波控制信号408)来进行混合。
可以在微波和SAW信号之间的频率差处施加泵驱动。例如，在方法900的904，可以从超导表面声波谐振器(例如，超导SAW谐振器102)向超导微波谐振器(例如，超导微波谐振器104)传送第一量子信息，并且可以从超导微波谐振器向超导表面声波谐振器传送第二量子信息。该第一量子信息和该第二信息的传送可以由该微波约瑟夫逊混频器接收的微波控制信号赋能。因此，可以施加相同的泵频率和振幅以在两个方向(例如，从超导表面声波到超导微波谐振器和从超导微波谐振器到超导表面声波)上转换相同量的信息。
图10是用于基于微波控制信号的频率和振幅混合表面声波和微波信号的开关的操作的方法1000的流程图。
在方法1000的1002，(例如，通过微波约瑟夫逊混频器402或JRM 106)可以将超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间断开连接。可以基于表面声波信号和微波信号的混合将被停止的第一确定来进行断开连接。由此，超导表面声波谐振器和超导微波谐振器之间的通信被断开。
进一步，在方法1000的1004，(例如，通过微波约瑟夫逊混频器402或JRM106)可以重新启用超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间的连接。可以基于表面声波信号和微波信号的混合将被重新启动的第二确定来进行重新启用连接。由此，超导表面声波谐振器与该超导微波谐振器之间的通信被赋能(或连接)。
图11是基于微波信号的振幅混合表面声波和微波信号的方法1100的流程图。
在方法1100的1102，(例如，通过微波约瑟夫逊混频器402)可以接收表面声波信号(例如，SAW信号404)和微波信号(例如，微波信号406)。在方法1100的1104，(例如，通过微波约瑟夫逊混频器402)可以混合表面声波信号和微波信号。可以基于从(例如，通过泵端口218馈送的)微波源接收的微波控制信号(例如，微波控制信号408)进行混合。
进一步，在方法1100的1106，(例如，通过微波约瑟夫逊混频器402)可以基于微波控制信号的第一振幅在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间传输量子信息的第一部分。在方法1100的1108，(例如，通过微波约瑟夫逊混频器402)可以基于微波控制信号的第二振幅在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间传输量子信息的第二部分。例如，可以利用第一振幅在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间传送信息的第一部分。可以利用第二振幅在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间传送信息的第二部分。
图12是用于表面声波和微波信号之间的无损频率转换的方法1200的流程图。
在方法1200的1202，(例如，通过频率转换器502)可以接收表面声波信号(例如，SAW信号404)。进一步，在方法1200的1204，(例如，通过频率转换器502)可以接收微波信号(例如，微波信号406)。在方法1200的1206，(例如，通过频率转换器502)可以基于从微波源接收的泵信号来实现超导表面声波谐振器的第一信息与超导微波谐振器的第二信息之间的无损的频率转换。
根据一些实施方式，频率转换器可以基于微波控制信号的频率和振幅将量子信息从超导表面声波谐振器传送到超导微波谐振器，反之亦然。
图13是用于执行表面声波信号和微波信号之间的上变频的方法1300的流程图。
在1302，(例如，通过频率转换器502)可以将传播射频信号映射到超导表面声波谐振器中的声子模式。进一步，在1304，(例如，通过频率转换器502)可以通过施加微波源的微波控制信号，将声子模式上变频为超导微波谐振器中的光子模式。通过无损的三波混合交互实现光子模式的上变频。经上变频的微波信号可以在离开超导微波谐振器时传播。根据一些实施例，微波控制信号频率可以等于超导微波谐振器的谐振频率减SAW谐振器的谐振频率的绝对值。
图14是用于进行表面声波信号和微波信号之间的下变频的方法1400的流程图。
在方法1400的1402，(例如，通过频率转换器502)可以将传播微波频率信号映射到超导微波谐振器中的光子模式。在方法1400的1404，(例如，通过频率转换器502)可以通过施加微波源的微波控制信号将光子模式下变频为超导表面声波谐振器中的声子模式。通过无损的三波混合交互实现光子模式的下变频。进一步，经下变频的表面声波信号在离开超导SAW谐振器时传播。
图15是用于对表面声波和微波信号进行非退化参数放大的方法1500的流程图。
在方法1500的1502，(例如，通过约瑟夫逊参数放大器602)可以放大进入器件的第一端口的表面声波信号的第一正交和进入器件的第二端口的微波信号的第二正交。在一个实例中，该放大可以包括以(例如，当无微波控制信号施加到超导器件时相对于噪声或一个参考测量的)限定的振幅增益值来放大表面声波信号的第一正交和微波信号的第二正交。
进一步，在1504，方法1500(例如，通过约瑟夫逊参数放大器602)可以通过第一输出端口输出包括第一输出信号和具有频率转换的第一传输信号的第一放大信号，通过第二输出端口包括第二输出信号和具有频率转换的第二传输信号的第二放大信号。根据一些实施方式，第一输出信号可包括从第一端口反射的第一同频信号，并且第一传输信号可包括从第二端口传输到第一端口的第一频率转换信号。进一步，第二输出信号可以包括从第二端口反射的第二同频信号，并且第二传输信号可以包括从第一端口传输到第二端口的第二频率转换信号。
图16示出根据本文描述的一个或多个实施例的用于缠结量子电路的声子模式和光子模式的示例非限制性方法1600的流程图。为了简洁起见，省略对在本文中描述的其他实施例中采用的类似元件的重复描述。
在1602，(例如，通过缠结组件702)可以将包括第一频率的第一输入信号输入到超导表面声波谐振器中。在1604，可以将包括第二频率的第二输入信号输入到超导微波谐振器中。
进一步，在方法1600的1606，可以输出(例如，通过缠结组件702)包括进入超导微波谐振器和SAW谐振器的输入场(或输入信号)的放大叠加的缠结信号的输出信号。例如，输入场(或输入信号)可以是第一输入信号和第二输入信号。该方法可以包括在由超导表面声波谐振器输出的表面声波的一个或多个声子与由超导微波谐振器输出的一个或多个微波光子之间产生缠结信号。
可以通过超导表面声波谐振器将第一量子位操作性耦合到缠结组件上。进一步，可以通过超导微波谐振器将第二量子位操作性耦合到缠结组件上。在一些实现方式中，第一量子位可以操作性耦合到两个或更多个模式。进一步，对于这些实现方式，第二量子位可以操作性耦合到单个模式。缠结信号可以包括声子模式与光子模式之间的缠结。根据一些实施方式，缠结信号可以包括进入超导微波谐振器和超导表面声波谐振器的输入信号的放大叠加。
为了简化解释，所述方法被图示和描述为一系列动作。应当理解，本发明并不限于所示出的动作和/或动作的顺序，例如，动作可以按不同顺序和/或同时发生，并且与本文未给出和描述的其他动作一起发生。此外，并非所有示出的动作都是实现根据所公开的主题的方法所必需的。此外，本领域技术人员将理解和领会，可以通过状态图或事件替代地将这些方法表示为一系列相互关联的状态。另外，应进一步了解，可以将下文和本说明书全文中所公开的方法存储在制品上，以便利将此类方法传送和转移到计算机。如本文所使用的，术语制品旨在涵盖可从任何计算机可读设备或存储介质访问的计算机程序。
本发明的优选实施例还包括一种方法，包括：由约瑟夫逊参数放大器放大进入器件的第一端口的表面声波信号的第一正交和进入器件的第二端口的微波信号的第二正交；以及由约瑟夫逊参数放大器通过第一输出端口输出包括第一输出信号和具有频率转换的第一传输信号的第一放大信号，通过第二输出端口输出包括第二输出信号和具有频率转换的第二传输信号的第二放大信号。
优选地，第一输出信号包括从第一端口反射的第一同频信号，并且第一传输信号包括从第二端口传送至第一端口的第一频率转换信号，并且其中，第二输出信号包括从第二端口反射的第二同频信号，并且第二传输信号包括从第一端口传送到第二端口的第二频率转换信号。
优选地，该放大包括通过约瑟夫逊参数放大器以限定的振幅增益值放大表面声波信号的第一正交和微波信号的第二正交。
本发明的优选实施例包括一种方法，该方法包括：由缠结组件将包括第一频率的第一输入信号输入到超导表面声波谐振器中，其中通过超导表面声波谐振器将第一量子位操作性耦合到缠结组件上；由缠结组件将包括第二频率的第二输入信号输入到超导微波谐振器中，其中通过超导微波谐振器将第二量子位操作性耦合到缠结组件上；以及由缠结组件输出包括缠结信号的输出信号，该缠结信号包括进入超导表面声波谐振器和超导微波谐振器的输入场的放大叠加。
优选地，该方法还包括由缠结组件在由超导表面声波谐振器输出的表面声波的一个或多个声子与由超导微波谐振器输出的一个或多个微波光子之间产生缠结信号。
优选地，缠结信号包括声子模式与光子模式之间的缠结。
优选地，缠结信号包括进入超导微波谐振器和超导表面声波谐振器的输入信号的放大叠加。
上述内容仅包括系统和方法的实例。当然，出于描述本发明的目的，不可能描述组件或方法的每个可想到的组合，但是本领域普通技术人员可以认识到，本发明的许多进一步的组合和排列都是可能的。此外，就在详细说明、权利要求、附件和附图中使用术语“包括”、“具有”、“拥有”等而言，此类术语旨在以与如“包含”在权利要求中用作过渡词时被解释的那样的术语“包含”类似的方式是包括性的。已经出于说明的目的给出了本发明的不同实施例的描述，但是这并不意图是穷举的或限于所公开的本发明实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，许多修改和变化对本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。选择在此使用的术语是为了最好地解释本发明实施例的原理、实际应用或对市场中存在的技术的技术改进，或使得本领域普通技术人员能够理解本文公开本发明实施例。

Claims (14)

1.一种方法，包括：
在频率转换器处从超导表面声波谐振器接收包括在第一频率谐振的一个或多个声子的表面声波信号；
在频率转换器处从超导微波谐振器接收包括在第二频率谐振的一个或多个光子的微波信号；和
由频率转换器基于从微波源接收的泵信号实现超导表面声波谐振器的第一信息和超导微波谐振器的第二信息之间的无损频率转换。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，实现无损频率转换包括：
由频率转换器将传播射频信号映射到超导表面声波谐振器中的声子模式；和
由频率转换器通过施加具有限定频率的微波控制信号来将声子模式上变频为超导微波谐振器中的光子模式，其中，声子模式的上变频是通过无损三波混合交互赋能的，并且其中,经上变频的微波信号在离开超导微波谐振器时传播。
3.根据权利要求3所述的方法，其中，微波控制信号频率的第一值等于超导微波谐振器和超导表面声波谐振器的谐振频率之间的频率差的绝对值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，实现无损频率转换包括：
由频率转换器将传播微波频率信号映射到超导微波谐振器中的光子模式；和
由频率转换器通过施加具有限定频率的微波控制信号来将光子模式下变频为超导表面声波谐振器中的声子模式，其中，光子模式的下变频是通过无损三波混合交互赋能的，并且其中，经下变频的表面声波信号在离开超导表面声波谐振器时传播。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
由频率转换器基于微波控制信号的频率和振幅在超导表面声波谐振器和所述超导微波谐振器之间传输信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，频率转换器是微波约瑟夫逊混频器，该方法包括：
由微波约瑟夫逊混频器基于从操作性耦合到微波约瑟夫逊混频器的微波源接收的微波控制信号来混合表面声波信号和微波信号。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
由微波约瑟夫逊混频器基于施加在微波信号与表面声波信号之间的频率差施加的泵驱动，在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间传输量子信息。
8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
基于微波控制信号，将第一量子信息从超导表面声波谐振器传输到超导微波谐振器，以及将第二量子信息从超导微波谐振器传输到超导表面声波谐振器。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
由微波约瑟夫逊混频器基于确定表面声波信号与微波信号的混合将要被停止而断开在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间的连接；以及，
由微波约瑟夫逊混频器基于确定表面声波信号与微波信号的混合将要被重新启动而重新启用在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间的连接。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
由微波约瑟夫逊混频器基于微波控制信号的第一功率而在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间传输量子信息的第一部分；和
由微波约瑟夫逊混频器基于微波控制信号的第二功率而在超导表面声波谐振器与超导微波谐振器之间传输量子信息的第二部分。
11.根据权利要求8的方法，其中，混合表面声波信号和微波信号包括：
将表面声波信号携带的信息以单一方式转换成微波信号。
12.根据权利要求8所述的方法，其中,混合表面声波信号和微波信号包括以单一方式将微波信号携带的信息转换成表面声波信号。
13.一种超导器件，包括：
电容性耦合到超导表面声波谐振器的第一超导量子位；
电容性耦合到超导微波谐振器的第二超导量子位；和
耦合到超导表面声波谐振器和超导微波谐振器的约瑟夫逊环调制器。
14.根据权利要求13所述的超导器件，进一步包括：
泵驱动，其通过第一耦合电容器并且通过第二耦合电容器而操作性耦合到约瑟夫逊环调制器的两个相邻节点。
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