CN117616691A - 用于对量子计算电路进行电磁隔离的设备、装置和方法 - Google Patents

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CN117616691A CN202180100282.0A CN202180100282A CN117616691A CN 117616691 A CN117616691 A CN 117616691A CN 202180100282 A CN202180100282 A CN 202180100282A CN 117616691 A CN117616691 A CN 117616691A
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Abstract

披露了一种设备(100)和一种方法，用于促进第一频率滤波和第二频率滤波以及非互易频率转换以进行电磁隔离。该设备可以用于例如对量子计算电路进行电磁隔离。该设备包括可以相对于彼此互补的两个或更多个频率滤波器(110，120)。特别地，该两个或更多个频率滤波器可以提供两个独立的信号通道：较低频率信号通道和较高频率信号通道。利用两个频率滤波器，这些通道可以在频率上不重叠。

Description

用于对量子计算电路进行电磁隔离的设备、装置和方法
技术领域
本发明涉及用于量子计算的电磁隔离。
背景技术
量子计算机的读出链通常需要大量体积庞大且昂贵的环行器，以将量子处理单元与低温恒温器的较高温度级的后续半导体放大器产生的反作用噪声隔离。这些环行器还呈现出很大的热质量，并且占据大量机械空间。
对于环行器，存在许多替代性实施方式。通常，这些都依赖于霍尔效应和对应的现象。这些技术尚不成熟，并且在可靠性、阻抗匹配、动态范围、带宽和对外部因素的敏感性方面经常面临重大问题。
目的
目的是减轻上文所提及的缺点。
此外，目的是完全消除对这种环行器的需要。
发明内容
根据本披露内容，已发现当将非互易频率转换与频率滤波在该频率转换之前和之后相结合时，该非互易频率转换可以有效地用于对量子计算电路进行隔离。
根据第一方面，提供了一种用于例如对量子计算电路进行电磁隔离的设备。该设备包括第一频率滤波器，该第一频率滤波器可以被配置用于传输频率在第一较低频率范围内的信号并终止频率在第一较高频率范围内的信号。该设备还包括第二频率滤波器，该第二频率滤波器可以被配置用于终止频率在第二较低频率范围内的信号并传输频率在第二较高频率范围内的信号。该设备包括频率转换器，该频率转换器具有可以耦合到第一频率滤波器的第一输入/输出端，以及可以耦合到第二频率滤波器的第二输入/输出端。该频率转换器可以被配置为例如响应于到或用于该频率转换器的外部驱动信号而关于第一输入/输出端与第二输入/输出端之间的信号传输变得非互易，以便相对于该频率转换器的在该频率转换器的第二输入/输出端处的频率在第二较高频率范围内的输出信号来相对抑制或相对增强该频率转换器的在频率转换器的第一输入/输出端处的频率在第一较低频率范围内的输出信号。这允许具有读出频率的读出信号传输通过该设备，使得在进入时读出频率对应于输入频率，并在离开时读出频率对应于不同于该输入频率的输出频率。如果第一输入/输出端是该读出信号的输入端，则可以由第一频率滤波器阻挡输入频率之外的频率范围，或如果第二输入/输出端是该读出信号的输入端，则可以由第二频率滤波器对其进行阻挡。相应地，如果第一输入/输出端是该读出信号的输出端，则可以由第一频率滤波器阻挡输出频率之外的频率范围，或如果第二输入/输出端是该读出信号的输出端，则可以由第二频率滤波器对其进行阻挡。重要的是，还可以使任何反作用信号都减弱，即使其频率对应于读出信号的输出频率也是如此。这通过非互易频率转换来促进，从而允许反作用信号相对于读出信号至少相对衰减。
已发现，可以由可以以非互易方式操作的放大器来有效执行频率转换，从而放大正向方向(比如读出方向)上的信号传输并衰减反作用方向上的信号传输。另外，对于电磁隔离而言，不需要磁性部件。
在实施例中，响应于外部信号，该频率转换器被配置为对在该频率转换器的第二输入/输出端处的其频率在第二较高频率范围内的输出信号产生增益，和/或对在该频率转换器的第一输入/输出端处的其频率在第一较低频率范围内的输出信号产生衰减。这允许设备促进读出信号在其中第一输入/输出端是该读出信号的输入端且第二输入/输出端是该读出信号的输出端的方向上进行传输，同时抑制任何反作用信号在相反方向上进行传输。然后，这允许由设备对读出信号的频率进行升频转换，同时抑制反作用。
在实施例中，响应于外部信号，该频率转换器被配置为对在该频率转换器的第一输入/输出端处的其频率在第一较低频率范围内的输出信号产生增益，和/或对在该频率转换器的第二输入/输出端处的其频率在第二较高频率范围内的输出信号产生衰减。这允许设备促进读出信号在其中第二输入/输出端是该读出信号的输入端且第一输入/输出端是该读出信号的输出端的方向上进行传输，同时抑制任何反作用信号在相反方向上进行传输。然后，这允许由该设备对读出信号的频率进行降频转换，同时抑制反作用。
如所指示的，频率转换器因此也可以是放大器，例如如前两个实施例中那样。这对量子电路具有额外效果，因为其会促进达到放大噪声的量子极限。
在实施例中，频率转换器包括一个或多个行波参量放大器(TWPA)或由其组成。已发现，TWPA可以被配置为执行或促进与频率转换相关的任何或所有动作。这包括向读出信号提供增益，同时使反作用信号衰减，该反作用信号可以具有与读出信号相同或相对应的频率。还发现TWPA与量子计算电路一起使用尤其有效。例如，它们可以提供扩展的带宽和/或动态范围。另外，TWPA代表了相对成熟的技术，因此可以容易且可靠地应用于这种上下文。与其他技术相比，TWPA可以允许更容易地实现有利的噪声温度和隔离。
在实施例中，频率转换器包括一个或多个可调谐移相器和/或约瑟夫森参量转换器，或由其组成。已发现，这种器件可以被配置为执行或促进与频率转换相关的任何或所有动作。约瑟夫森参量转换器可以在若干个不同的频率模式之间提供放大和/或去放大。
在实施例中，第一频率滤波器和/或第二频率滤波器是无源滤波器。已发现，这促进简单且可靠的频率滤波，在量子计算电路的上下文下仍然可以利用这种频率滤波。特别地，其允许在不包括不必要功率耗散的情况下实现隔离。
在实施例中，第一较低频率范围对应于第二较低频率范围，和/或第一较高频率范围对应于第二较高频率范围。相应地，第一频率滤波器和第二频率滤波器可以在频率上相对于彼此是镜像的。
根据第二方面，披露了一种装置，该装置也可以用于例如对量子计算电路进行电磁隔离。该装置包括根据第一方面或其任何实施例单独或以任意组合所述的设备。该装置还包括第三频率滤波器，该第三频率滤波器被配置用于传输频率在第三频率范围内的信号并终止频率在该第三频率范围之外的频率范围内的信号。第三频率范围可以与第一频率范围或第二频率范围(两者中在装置的信号传输方向上离第三频率滤波器较远的那一个)部分或完全重合。这允许第三频率滤波器和第一或第二频率滤波器形成信号入口点和出口点，其中，相同或对应频率的信号会被传输，而其他信号可以被终止。该装置还包括耦合在设备与第三频率滤波器之间的第二频率转换器。该耦合以这样的方式执行，即响应于提供给设备的具有输入频率的输入信号，该装置被配置为从第三频率滤波器产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号，或者响应于提供给该第三频率滤波器的具有输入频率的输入信号，该装置被配置为从该设备产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号。在第一替代方案中，第三频率滤波器被布置为提供装置的信号入口点，而在第二替代方案中，其被布置为提供装置的信号出口点。两种替代方案都允许该装置提供电磁隔离，而不改变或基本不改变信号(比如读出信号)在其传输通过该装置时的频率。第二频率转换器还可以例如响应于外部驱动信号而关于信号传输方向是非互易的。该装置还可以允许实现显著改善隔离。
根据第三方面，披露了一种装置，该装置也可以用于例如对量子计算电路进行电磁隔离。该装置包括量子处理单元，该量子处理单元耦合到根据第一方面或其任何实施例单独或以任意组合所述的一个或多个设备、和/或耦合到根据第二方面和/或第三方面的装置，以便防止反作用噪声进入量子处理单元。
根据第四方面，披露了一种用于例如对量子计算电路进行电磁隔离的方法。该方法包括执行或促进在第一频率滤波器处进行频率滤波，例如其中，频率在第一较低频率范围内的信号被传输，并且频率在第一较高频率范围内的信号被终止。该方法还包括执行或促进在第二频率滤波器处进行频率滤波，例如其中，频率在第二较低频率范围内的信号被终止，并且频率在第二较高频率范围内的信号被传输。该方法包括例如执行或促进在本文所披露的频率转换器处、在耦合到第一频率滤波器的第一输入/输出端与耦合到第二频率滤波器的第二输入/输出端之间进行频率转换。该频率转换可以例如响应于用于该频率转换的外部驱动信号而关于第一输入/输出端与第二输入/输出端之间的信号传输是非互易的，以便相对于该频率转换的在第二输入/输出端处的频率在第二较高频率范围内的输出信号来相对抑制或相对增强该频率转换的在第一输入/输出端处的频率在第一较低频率范围内的输出信号。在该方法中，可以接收读出信号作为到第一频率滤波器的输入信号，并且将其提供作为来自第二频率滤波器的输出信号，使得第一输入/输出端充当读出信号的输入端，并且第二输入/输出端充当读出信号的输出端。替代性地，可以将读出信号接收作为到第二频率滤波器的输入信号，并且将其提供作为来自第一频率滤波器的输出信号，使得第二输入/输出端充当读出信号的输入端，并且第一输入/输出端充当读出信号的输出端。
在实施例中，响应于外部信号，该频率转换对在该第二输入/输出端处的其频率在第二较高频率范围内的输出信号产生增益，和/或对在该第一输入/输出端处的其频率在第一较低频率范围内的输出信号产生衰减。
在实施例中，响应于外部信号，该频率转换对在该第一输入/输出端处的其频率在第一较低频率范围内的输出信号产生增益，和/或对在该第二输入/输出端处的其频率在第二较高频率范围内的输出信号产生衰减。
在实施例中，频率转换是通过一个或多个行波参量放大器来执行或促进的。
在实施例中，频率转换是通过一个或多个可调谐移相器和/或约瑟夫森参量转换器来执行或促进的。
在实施例中，第一频率滤波器和/或第二频率滤波器处的频率滤波是以无源方式执行的。
在实施例中，第一较低频率范围对应于第二较低频率范围，和/或第一较高频率范围对应于第二较高频率范围。
根据第五方面，披露了一种方法，该方法也可以用于例如对量子计算电路进行电磁隔离。该方法包括执行根据第四方面或其任何实施例单独或以任意组合所述的第一方法。该方法还包括促进在第三频率滤波器处进行频率滤波，其中，频率在第三频率范围内的信号被传输，并且频率在该第三频率范围之外的频率范围内的信号被终止。该方法包括促进在第三频率滤波器处的频率滤波与第一频率滤波器或第二频率滤波器处的频率滤波之间进行第二频率转换，该第二频率转换也可以例如响应于外部驱动信号而在信号传输方向是非互易的。该方法以这样的方式执行，即响应于对具有输入频率的输入信号执行该第一方法，从第三频率滤波器产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号，或者响应于向第三频率滤波器提供具有输入频率的输入信号，从第一频率滤波器或第二频率滤波器产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号。
这可以通过交替执行的两次频率转换以及三次频率滤波来实现，并且适用于第二方面及其实施例的装置和第五方面及其实施例的方法。由于另外两次频率滤波之间的频率滤波和两次频率转换都是利用可以与第三频率滤波器互补的频率滤波器(即第一滤波器或第二滤波器)来执行的，因此能够在此终止频率在第三频率范围内的信号。然而，这些信号仍然可以在另一个滤波器处传输，即在第一滤波器或第二滤波器处，其由此可以提供装置的信号入口点或出口点。总的来说，频率在第三频率范围内的信号可以在两次频率转换之前和之后进行传输。同时，这种信号可以在两次频率转换之间终止。相反，频率在第三频率范围之外的范围内的信号可以在两次频率转换之前和之后被终止。同时，这种信号可以在两次频率转换之间传输。这种信号终止结合非互易频率转换一起允许在保持信号频率(特别是正向方向上)的同时实现电磁隔离。
根据第六方面，披露了一种方法，该方法也可以用于例如对量子计算电路进行电磁隔离。该方法包括执行根据第四方面或其任何实施例单独或以任意组合所述的方法、和/或执行根据第五方面和/或第六方面的方法，以便防止反作用噪声进入量子处理单元。
应当理解，上述各方面和实施例可以彼此任意组合使用。若干方面和实施例可以组合在一起形成另一实施例。结合第一方面、第二方面和第三方面及其实施例所披露的特征和效果可以分别结合第四方面、第五方面和第六方面及其实施例进行相应地应用。
附图说明
被包括以提供对本说明书的进一步理解并且构成本说明书的一部分的附图展示了示例并且与描述一起有助于解释本披露内容的原理。在附图中：
图1展示了根据示例的设备和装置，
图2a和图2b展示了根据示例的装置，
图3展示了根据示例的方法，以及
图4a和图4b展示了根据示例的模拟。
在附图中，相同的附图标记用于指定等效的或至少功能等效的部分。
具体实施方式
下面结合附图提供的详细描述旨在作为对示例的描述，而不是旨在表示示例可以被构造或利用的唯一形式。然而，相同或等效的功能和结构可以通过不同的示例来实现。
图1示出了根据示例的设备100的示例。该设备可以用于例如对量子计算电路进行电磁隔离。该设备包括可以相对于彼此互补的两个或更多个频率滤波器110、120。特别地，该两个或更多个频率滤波器可以提供两个独立的信号通道：较低频率信号通道和较高频率信号通道。利用两个频率滤波器，这些通道可以在频率上不重叠。
该设备包括一个或多个第一频率滤波器110，该一个或多个第一频率滤波器可以被配置用于传输频率在第一较低频率范围内的信号并终止频率在第一较高频率范围内的信号。第一较高频率范围和第一较低频率范围可以不重叠。第一较低频率范围和第一较高频率范围可以是互补的，使得频率在第一较低频率范围之外的所有信号都会被终止，并且频率在第一较低频率范围内的所有信号都会被传输。
该设备还包括一个或多个第二频率滤波器120，该一个或多个第二频率滤波器可以被配置用于终止频率在第二较低频率范围内的信号并传输频率在第二较高频率范围内的信号。第二较高频率范围和第二较低频率范围可以不重叠。第二较低频率范围和第二较高频率范围可以是互补的，使得频率在第二较高频率范围之外的所有信号都会被终止，并且频率在第二较高频率范围内的所有信号都会被传输。第二较高频率范围可以与第一较高频率范围部分或全部重合。第二较低频率范围可以与第一较低频率范围部分或全部重合。
设备100包括具有第一输入/输出端132和第二输入/输出端134的(第一)频率转换器130(在本文也称为“频率转换器”)。该频率转换器是双向的，使得在第一输入/输出端接收到的输入信号被转换成提供在第二输入/输出端处的一个或多个输出信号，并且在第二输入/输出端接收到的输入信号被转换成提供在第一输入/输出端处的一个或多个输出信号。该输入信号具有输入频率。该一个或多个输出信号可以具有一个或多个输出频率。重要的是，该频率转换器被配置为响应于在第一输入/输出端处接收到频率在第一较低频率范围内的输入信号而在第二输入/输出端处提供频率在第二较高频率范围内的输出信号。由于是双向的，该频率转换器还可以被配置为响应于在第二输入/输出端处接收到频率在第二较高频率范围内的输入信号而在第一输入/输出端处提供频率在第一较低频率范围内的输出信号。频率转换器可以在执行转换时保持信号的量子相干性。
第一输入/输出端132可以被配置为耦合到第一频率滤波器110。该耦合可以是间接的，也可以是直接的。类似地，第二输入/输出端134可以被配置为耦合到第二频率滤波器120。该耦合可以是间接的，也可以是直接的。
因此，这些耦合被配置用于信号20，该信号在第一频率滤波器处被接收作为频率在第一较低频率范围内的输入信号以传输通过设备100，并且其从第二频率滤波器被产生、作为具有在第二较高频率范围内的频率(f1,out)的输出信号。在此处，可以终止频率在第一较低频率范围之外的输入信号的任何或所有子信号。还可以终止具有在第二较高频率范围之外的频率(f2,out)的输出信号的任何或所有子信号。
类似地，这些耦合被配置用于信号30，该信号在第二频率滤波器120处被接收作为具有在第二较高频率范围内的频率(f1,in)的输入信号以传输通过设备100，并且其从第一频率滤波器110被产生作为频率在第一较低频率范围内的输出信号。在此处，可以终止具有在第二较高频率范围之外的频率(f2,in)的输入信号的任何或所有子信号。
设备100的输入信号(比如读出信号)可以提供给第一频率滤波器110或第二频率滤波器120，这具体取决于设备的取向。相应地，设备的输出信号(比如读出信号)可以从第二频率滤波器110或第一频率滤波器120提供，这具体取决于设备的取向。频率转换器130的方向性可以指示设备的方向性，使得设备100的输入信号可以作为输入信号提供给频率转换器，并且来自频率转换器的输出信号可以提供设备的输出信号。
在图1中，水平轴线可以简单地被视为展示了传输通过设备100的信号在不同频率下的行为。然后，较小的频率在左侧，而较大的频率在右侧。因此，频率f1,in和频率f1,out可以大于f2,in和f2,out。不过，f1,in和f1,out可以相对于彼此相同或基本相同。f2,in和f2,out也可以相对于彼此相同或基本相同。
频率转换器130可以被配置为关于第一输入/输出端132与第二输入/输出端134之间的信号传输变得非互易。因此，提供给频率转换器的输入信号的信号幅度的变化可以取决于信号传输通过频率转换器的方向，即取决于输入信号是提供给第一输入/输出端还是第二/输入端。非互易性对应于相对于频率转换器的在频率转换器的第二输入/输出端处的频率在第二较高频率范围内的输出信号来相对抑制或相对增强频率转换器的在频率转换器的第一输入/输出端处的频率在第一较低频率范围内的输出信号。正因为如此，取决于频率转换器上的信号传输方向，频率转换器以及整个设备100上的信号传输都会出现对称性中断。非互易性可以响应于到或用于频率转换器的外部驱动信号。该设备可以被配置用于自动提供外部驱动信号。
设备100可以间接或直接耦合到信号源10，比如耦合到可以包括量子处理单元的量子计算电路。对称性中断允许设备在一个方向上传输第一信号，比如读出信号，同时减轻或防止该信号在另一个方向上的反作用。第一信号可以从信号源传输。相应地，第一信号可以是读出信号，比如量子计算电路的读出信号。第一信号可以例如具有1至20GHz或者2至10GHz的频率。该设备可以被配置用于具有固定带宽(例如，2至4GHz或更小)的第一信号。可以相应地对频率滤波器的频率范围进行配置。设备100可以被配置用于减轻或防止对信号源的反作用。该设备的输出可以耦合到一个或多个半导体放大器，与该设备的输入相比，该一个或多个半导体放大器可能处于更高的温度。该设备可以被配置用于减轻或防止反作用噪声被传输到信号源，例如传输到量子处理单元。
如图1所展示的，由于第二频率滤波器120，来自具有在第二较高频率范围之外的频率(f2,in)的任何或所有信号的反作用都可以被减轻或完全防止。另一方面，来自具有在第二较高频率范围内的频率(f1,in)的任何或所有信号的反作用也可以被减轻或完全防止，因为频率转换器130相对抑制了这种反作用信号的信号传输。另外，第一频率滤波器110可以抑制或终止频率在第一较高频率范围内的该信号的任何子信号，这些子信号可以通过频率转换器传输。
在图1中，实线展示了传输通过设备100的第一信号。虚线展示了被抑制或终止的信号或子信号。例如，第一频率滤波器110和第二频率滤波器120可以终止不在其被配置为允许信号进行传输的频率范围内的所有信号，包括子信号。频率转换器130可以被配置用于在任何或所有频率下抑制反作用。特别地，频率转换器可以被配置用于在与第一信号传输通过频率转换器相对应的频率范围下抑制反作用。
可以自由选择设备100上的信号传输的优选方向，即正向方向，并且可以相应地配置该设备。然后，相反方向(即反向方向)可以与反作用相对应。根据第一替代方案，设备被配置用于将第一信号从第一输入/输出端132传输到第二输入/输出端134，并抑制或终止相反方向上的反作用。在该替代方案中，频率转换器被配置为：响应于外部信号，对在该频率转换器的第二输入/输出端处的其频率在第二较高频率范围内的输出信号产生增益，和/或对在该频率转换器的第一输入/输出端处的其频率在第一较低频率范围内的输出信号产生衰减。在该替代方案中，信号源10可以在第一频率滤波器110处间接或直接耦合到设备。然后，信号源就通过第一频率滤波器耦合到频率转换器130。正向方向是从第一频率滤波器到第二频率滤波器。因此，传输通过设备(例如，作为读出信号)的第一信号对应于图1中的信号20，其中，信号源可以耦合到第一频率滤波器。另一方面，信号30则与反作用信号相对应。
根据第二替代方案(其为第一替代方案的替代或补充)，该设备被配置用于将第一信号从第二输入/输出端134传输到第一输入/输出端132，并抑制或终止相反方向上的反作用。在该替代方案中，该频率转换器被配置为：响应于外部信号，对在该频率转换器的第一输入/输出端处的其频率在第一较低频率范围内的输出信号产生增益，和/或对在该频率转换器的第二输入/输出端处的其频率在第二较高频率范围内的输出信号产生衰减。在该替代方案中，信号源10可以在第二频率滤波器110处间接或直接耦合到设备。然后，信号源就通过第二频率滤波器耦合到频率转换器130。正向方向是从第二频率滤波器到第一频率滤波器。因此，传输通过设备(例如，作为读出信号)的第一信号对应于图1中的信号30，其中，信号源可以耦合到第二频率滤波器。另一方面，信号20则将与反作用信号相对应。
外部驱动信号可以确定阈值频率40，频率转换器的输入信号在该阈值频率上进行转换。该阈值频率可以高于第一较低频率范围并低于第二较高频率范围。该阈值频率也可以高于第二较低频率范围并低于第一较高频率范围。外部驱动信号可以通过例如具有3路或4路泵浦的泵浦(比如光泵浦)来提供。外部驱动信号的泵浦频率可以对应于阈值频率或其倍数。对于4路泵浦，泵浦频率可以对应于阈值频率。对于3路泵浦，泵浦频率可以对应于阈值频率的两倍。
在特别重要的实施例中，频率转换器包括一个或多个行波参量放大器(TWPA)或由其组成。众所周知，TWPA的输出信号可以包括闲频信号(idler signal)，该闲频信号的频率不同于TWPA的针对其生成了该输出信号的输入信号。除闲频信号外，TWPA的输出信号还可以包括频率与TWPA的针对其生成了该输出信号的输入信号相同或基本相同的信号。就本披露内容而言，设备100可以被配置用于利用闲频信号提供设备的输出信号，例如作为读出信号。因此，闲频信号可以根据上述第一替代方案提供频率在第二较高频率范围内的信号，或根据上述第二替代方案提供频率在第一较低频率范围内的信号。该信号可以成为设备的输出信号。阈值频率可以对应于到TWPA的泵浦频率或其倍数。替代性地或另外地，频率转换器包括一个或多个可调谐移相器和/或约瑟夫森参量转换器，或由其组成。例如，频率转换器可以包括两个或更多个串联的可调谐移相器，并且这可以包括两个或更多个串联的SQUID环路。它们串联起来可能会有基本完美的传输。然后，这些移相器中的两个可以被配置为产生相反方向上的例如具有相等幅值的相移。该设备可以被配置为作为时间的函数来非线性地调制相位，从而使得信号传输非互易，即取决于方向。
图2a和图2b示出了装置200的示例。该装置包括设备100。然而，该装置被配置用于保持或至少基本保持该装置上、特别是在其正向方向上的信号频率。
为此，装置200包括至少一个附加频率滤波器，即第三频率滤波器210、220，该第三频率滤波器被配置用于传输频率在第三频率范围内的信号并终止频率在该第三频率范围之外的频率范围内的信号。第三频率范围和该第三频率范围之外的频率范围可以不重叠。第三频率范围可以与第一频率范围或第二频率范围(两者中在信号传输方向上离第三频率滤波器较远的那一个)部分或完全重合。第三频率范围之外的频率范围可以与第三频率范围是互补的，使得频率在第三频率范围之外的所有信号都会被终止，并且频率在第三频率范围内的所有信号都会被传输。
出于上述目的，装置200还包括耦合在设备与第三频率滤波器210、220之间的至少一个附加频率转换器，即第二频率转换器230。该耦合可以是这样的，即响应于提供给设备的具有输入频率的输入信号，该装置被配置为从第三频率滤波器产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号，或者响应于提供给该第三频率滤波器的具有输入频率的输入信号，该装置被配置为从该设备产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号。第二频率转换器可以至少在转换后的频率值方面相对于(第一)频率转换器进行的频率转换是镜像或基本镜像的。除了(第一)频率转换器和第二频率转换器转换在频率方面以相反的方向执行频率转换外，这些频率转换器可以是相似甚至相同的，也可以是不同的。像(第一)频率转换器130一样，第二频率转换器也可以被配置为关于其第一输入/输出端与第二输入/输出端之间的信号传输变得非互易。特别地，第二频率转换器可以被配置用于有利于在与(第一)频率转换器相同的方向上进行信号传输。该非互易性可以响应于到或用于第二频率转换器的外部驱动信号。该装置可以被配置用于自动提供外部驱动信号。该外部驱动信号可以与到或用于(第一)频率转换器的外部驱动信号同时或分别提供。(第一)频率转换器和第二频率转换器还可以共享外部驱动信号。第二频率转换器230可以包括一个或多个TWPA或由其组成。替代性地或另外地，第二频率转换器可以包括一个或多个可调谐移相器和/或约瑟夫森参量转换器，或由其组成。
第三频率滤波器210、220和第二频率转换器230可以耦合在设备100之前或之后。在两种情况下，第二频率转换器都可以耦合在第三频率滤波器与设备之间。就设备100而言，装置200可以被配置为具有从第一频率滤波器到第二频率滤波器或从第二频率滤波器到第一频率滤波器的信号传输正向方向。在两种情况下，第三频率滤波器都可以在第一频率滤波器和第二频率滤波器之前或之后，从而为该装置提供四种可能的配置。该装置和对应的方法可以设置有以下四种排序中的任一种：第一滤波-(第一)频率转换-第二滤波-第二频率转换-第三滤波；第二滤波-(第一)频率转换-第一滤波-第二频率转换-第三滤波；第三滤波-第二频率转换-第二滤波-(第一)频率转换-第一滤波；以及第三滤波-第二频率转换-第一滤波-(第一)频率转换-第二滤波。其中，图2a展示了第二示例，而图2b展示了第三示例。在两种情况下，(第一)频率转换器被配置用于有利于在从第二频率滤波器到第一频率滤波器的正向方向上进行信号传输。第一示例可以从图2b的装置中获得，其中，信号源10耦合到装置的相反端(即耦合到第一频率滤波器110)，并且(第一)频率转换器处的频率转换被配置用于有利于在从第一频率滤波器到第二频率滤波器的正向方向上进行信号传输。第四示例可以从图2a的装置中获得，其中，信号源10耦合到装置的相反端(即耦合到第三频率滤波器220)，并且(第一)频率转换器处的频率转换被配置用于有利于在从第一频率滤波器到第二频率滤波器的正向方向上进行信号传输。
对于设备100，一般地，第一频率滤波器110和/或第二频率滤波器120可以是无源滤波器。特别地，第一频率滤波器110和/或第二频率滤波器120可以由双工器提供。不过，不是将两个频带分开以进一步传输，而是可以终止其中一个频带。(多个)频率滤波器可以包括用于信号终止的一个或多个电阻器。第一滤波器和/或第二滤波器可以被配置为在电路中被视为电阻滤波器，该电阻滤波器例如用于所有频率或用于在第一较低频率范围、第一较高频率范围、第二较低频率范围、第二较高频率范围、第三频率范围和第三频率范围之外的频率范围中的任一个或全部内的频率。就电磁隔离而言，它们可以用作例如电阻为50Ohms+/-0至10Ohms或者50Ohms+/-0至2Ohms或基本为50Ohms的电阻滤波器。(多个)频率滤波器的反射(例如表示为反射参数(s11))可以小于频率转换器在正向方向(例如，远离信号源10)上的增益。上述所有内容也适用于第三频率滤波器210、220。
设备100和装置可以被配置用于在低温温度下操作。这适用于本文所披露的任何或所有部件，特别适用于第一频率滤波器、第二频率滤波器和(第一)频率转换器、以及可选地第三频率滤波器和/或第二频率转换器。
图3示出了方法的示例。方法300可以包括关于设备100和/或装置200所讨论的任何动作。该方法可以用于电磁隔离，例如用于将可能处于低温操作温度的量子计算电路与处于较高温度的电子器件(比如一个或多个放大器)相隔离。
方法300包括促进在第一频率滤波器处进行第一频率滤波以及促进在第二频率滤波器处进行第二频率滤波。在第一滤波中，频率在第一较低频率范围内的信号被传输，并且频率在第一较高频率范围内的信号被终止。在第二滤波中，频率在第二较低频率范围内的信号被终止，并且频率在第二较高频率范围内的信号被传输。第一频率滤波和第二频率滤波可以在频率上相对于彼此镜像。这两次滤波可以以串联配置执行，使得第一频率滤波器与第二频率滤波器串联。可选地，该方法可以包括促进在第三频率滤波器处进行第三频率滤波。在第三滤波中，频率在第三频率范围内的信号可以被传输，并且频率在该第三频率范围之外的频率范围内的信号可以被终止。如上所指示的，第三频率范围可以与第一频率范围或第二频率范围部分或完全重合。在任何情况下，关于任何频率范围的陈述都适用于整个披露内容中的设备、装置和方法。
方法300还包括促进在耦合到第一频率滤波器的第一输入/输出端与耦合到第二频率滤波器的第二输入/输出端之间进行(第一)频率转换。该频率转换可以由(第一)频率转换器130执行，使得第一输入/输出端是该频率转换器的第一输入/输出端132，并且第二输入/输出端是该频率转换器的第二输入/输出端。该频率转换可以以两次滤波的串联配置执行，使得在第一频率滤波与第二频率滤波之间执行频率转换，其在串联配置中的相对顺序可以被确定为减轻电磁隔离的反作用，例如如在设备100或装置200的上下文中所示。该频率转换可以例如响应于用于该频率转换的外部驱动信号而关于第一输入/输出端与第二输入/输出端之间的信号传输非互易地执行，以便相对于该频率转换的在第二输入/输出端处的频率在第二较高频率范围内的输出信号来相对抑制或相对增强该频率转换的在第一输入/输出端处的频率在第一较低频率范围内的输出信号。可以使(第一)频率转换是非互易的，从而可以有利于在一个方向上进行信号传输。再结合第一滤波和第二滤波，这就允许将该方法用于电磁隔离，使得来自信号源的信号传输相对于朝向信号源的信号传输是有利的。
可选地，且当该方法包括第三频率滤波时，该方法还可以包括促进第二频率转换。该第二频率转换可以由第二频率转换器230执行，并且其可以涉及结合第二频率转换器所描述的任何特征。特别地，第二频率转换可以至少在转换后的频率值方面镜像或基本镜像相对于(第一)频率转换进行的频率转换。第二频率转换可以以各个滤波的串联配置执行，使得在第三频率滤波与第一和第二频率滤波中在另外两次滤波之间330被执行的那一次频率滤波之间执行第二频率转换。因此，第三频率滤波总是会被作为以串联配置进行的三次频率滤波的第一次310或最后一次350来执行。在第一种情况下，以串联配置，先执行第二频率转换，然后再执行第一频率滤波和第二频率滤波以及(第一)频率转换，而在后一种情况下，以串联配置，先执行第一频率滤波和第二频率滤波以及(第一)频率转换，然后再执行第二频率转换。
相应地，该方法可以被执行为使得响应于对具有输入频率的输入信号执行第一频率滤波、(第一)频率转换和第二频率滤波，从第三频率滤波器产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号。这在上文所讨论的第二种情况下发生。以串联配置，输入信号首先310经受第一频率滤波或第二频率滤波，其次320经受(第一)频率转换，接着330经受第二频率滤波或第一频率滤波(两者中尚未执行的那一个)，然后340经受第二频率转换，最后经受第三频率滤波。在电磁隔离的正向方向上，这对应于将例如作为读出信号的(第一)信号从信号源传输到例如更高温度的处理阶段。因此，第二频率转换可以对应于频率的反转换，而三次频率滤波310、330、350中最中间的频率滤波330抑制任何或所有未经转换的反作用信号或子信号在两次频率转换上320、340传输。
替代性地，该方法可以被执行以使得响应于向第三频率滤波器提供具有输入频率的输入信号，从第一频率滤波器或第二频率滤波器产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号。这在上文所讨论的第一种情况下发生。以串联配置，输入信号首先310经受第三频率滤波，其次320经受第二频率转换，接着330经受第一频率滤波或第二频率滤波，然后340经受(第一)频率转换，最后经受第二频率滤波或第一频率滤波(两者中尚未执行的那一个)。在电磁隔离的正向方向上，这还对应于将例如作为读出信号的(第一)信号从信号源传输到例如更高温度的处理阶段。在此处，第一频率转换可以对应于频率的反转换，而三次频率滤波310、330、350中最中间的频率滤波330抑制任何或所有未经转换的反作用信号或子信号在两次频率转换320、340上传输。
方法300可以在低温温度下执行。该方法可以被执行用于减轻或防止反作用噪声被传输到信号源，例如传输到量子处理单元。
关于设备100、装置200和方法300，已发现TWPA为非互易频率转换提供了特别有利的特性。对于TWPA，正向增益和反向增益可以不同。此外，在TWPA上反向和正向生成的闲频信号的幅度也可以不同。TWPA的输入和输出滤波器传输频谱可以被分成两个频率范围，使得反向信号可以被输入滤波器和输出滤波器消除，从而在此处促进第一滤波和第二滤波。TWPA可以生成正向闲频信号，而不受滤波器的干扰。可以通过第一滤波和/或第二滤波来消除具有输入频率的原始信号。不过，相同的信息可以通过闲频信号来传输，该闲频信号可以用作读出与输入信号相关的任何或所有信息的输出信号。另一方面，由TWPA生成的任何反向闲频信号可能会显著衰减。
图4a、图4b和图4c示出了模拟的示例。在这些示例中，以数值的方式对TWPA的简化版本进行了模拟，以展示正向泵浦下TWPA的反向闲频信号可能如何衰减。如从图4a:420和图4c中所看到的，在不具有泵浦时，模拟电路在正向方向和反向方向上都具有接近统一的传输。如图4a:410所展示的，在泵浦下，TWPA可以被配置用于使反向传输保持统一，而正向方向则呈现增益。在图4b:430中，不具有泵浦的信号在频率上稍微偏移，使得该信号不会与对应于具有泵浦的信号的相邻峰值重叠，并且幅度的变化可以更容易被验证。在该图中，最高峰值对应于泵浦，并且因此其不是输入/输出信号特性的一部分。
除非另有说明，否则本文所讨论的不同功能可以以不同的顺序和/或彼此同时执行。
除非另有说明，否则在不失去所寻求的效果的情况下，本文给出的任何范围或器件值都可以扩展或改变。除非明确禁止，否则任何示例还可以与另一个示例组合。
尽管已经以特定于结构特征和/或动作的语言描述了主题，但是应当理解，在所附权利要求中定义的主题不一定限于上述具体特征或动作。相反，上述具体特征和动作被披露为实施权利要求的示例，并且其他等效特征和动作旨在落入权利要求的范围内。
应当理解，上述益处和优点可以涉及一个实施例或可以涉及几个实施例。实施例不限于解决任何或所有所述问题的实施例或具有任何或所有所述益处和优点的实施例。将进一步理解，对‘一个’项目的引用可以指这些项目中的一个或多个。
术语‘包括’在本文中用于表示包括所确定的方法、框或元素，但是这样的框或元素不包括排他性列表，并且方法或仪器可以包含附加的框或元素。
比如‘第一’、‘第二’等数字描述符在本文中仅用作区分具有相似名称的部分的一种方式。数字描述符不应被解释为指示任何特定顺序，比如优先顺序、制造顺序或在任何特定结构中出现的顺序。
尽管本发明已经结合特定类型的设备和/或方法进行了描述，但是应该理解本发明不限于任何特定类型的设备和/或方法。尽管已经结合多个示例、实施例和实施方式描述了本发明，但是本发明不限于此，而是涵盖落入权利要求的范围内的各种修改和等效装置。尽管以上已经以某种程度的特殊性或参考一个或多个单独的实施例描述了各种示例，但是本领域技术人员可以对所披露的示例进行多种改变而不脱离本说明书的范围。

Claims (18)

1.一种用于对量子计算电路进行电磁隔离的设备，该设备包括：
第一频率滤波器，该第一频率滤波器被配置用于传输频率在第一较低频率范围内的信号并终止频率在第一较高频率范围内的信号；
第二频率滤波器，该第二频率滤波器被配置用于终止频率在第二较低频率范围内的信号并传输频率在第二较高频率范围内的信号；以及
频率转换器，该频率转换器具有耦合到该第一频率滤波器的第一输入/输出端和耦合到该第二频率滤波器的第二输入/输出端，该频率转换器被配置为响应于到该频率转换器的外部驱动信号而关于该第一输入/输出端与该第二输入/输出端之间的信号传输变得非互易，以便相对于该频率转换器的在该频率转换器的第二输入/输出端处的频率在该第二较高频率范围内的输出信号来相对抑制或相对增强该频率转换器的在该频率转换器的第一输入/输出端处的频率在该第一较低频率范围内的输出信号。
2.根据任何权利要求1所述的设备，其中，该频率转换器被配置为响应于该外部信号，对在该频率转换器的第二输入/输出端处的其频率在该第二较高频率范围内的输出信号产生增益，和/或对在该频率转换器的第一输入/输出端处的其频率在该第一较低频率范围内的输出信号产生衰减。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，该频率转换器被配置为响应于该外部信号，对在该频率转换器的第一输入/输出端处的其频率在该第一较低频率范围内的输出信号产生增益，和/或对在该频率转换器的第二输入/输出端处的其频率在该第二较高频率范围内的输出信号产生衰减。
4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，该频率转换器是行波参量放大器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，该频率转换器是可调谐移相器和/或约瑟夫森参量转换器。
6.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，该第一频率滤波器和/或该第二频率滤波器是无源滤波器。
7.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，该第一较低频率范围与该第二较低频率范围相对应，和/或该第一较高频率范围与该第二较高频率范围相对应。
8.一种装置，包括：
根据任一前述权利要求所述的设备；
第三频率滤波器，该第三频率滤波器被配置用于传输频率在第三频率范围内的信号并终止频率在该第三频率范围之外的频率范围内的信号；以及
第二频率转换器，该第二频率转换器耦合在该设备与该第三频率滤波器之间，使得：
响应于提供给该设备的具有输入频率的输入信号，该装置被配置为从该第三频率滤波器产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号；或者
响应于提供给该第三频率滤波器的具有输入频率的输入信号，该装置被配置为从该设备产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号。
9.一种装置，包括量子处理单元，该量子处理单元耦合到一个或多个根据权利要求1至7中任一项所述的设备和/或耦合到如权利要求8所述的装置，以便防止反作用噪声进入该量子处理单元。
10.一种用于对量子计算电路进行电磁隔离的方法，该方法包括：
促进在第一频率滤波器处进行频率滤波，其中，频率在第一较低频率范围内的信号被传输，并且频率在第一较高频率范围内的信号被终止；
促进在第二频率滤波器处进行频率滤波，其中，频率在第二较低频率范围内的信号被终止，并且频率在第二较高频率范围内的信号被传输；以及
促进在耦合到该第一频率滤波器的第一输入/输出端与耦合到该第二频率滤波器的第二输入/输出端之间进行频率转换，该频率转换响应于用于该频率转换的外部驱动信号而关于该第一输入/输出端与该第二输入/输出端之间的信号传输是非互易的，以便相对于该频率转换的在该第二输入/输出端处的频率在该第二较高频率范围内的输出信号来相对抑制或相对增强该频率转换的在该第一输入/输出端处的频率在该第一较低频率范围内的输出信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，该频率转换响应于该外部信号，对在该第二输入/输出端处的其频率在该第二较高频率范围内的输出信号产生增益，和/或对在该第一输入/输出端处的其频率在该第一较低频率范围内的输出信号产生衰减。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，该频率转换响应于该外部信号，对在该第一输入/输出端处的其频率在该第一较低频率范围内的输出信号产生增益，和/或对在该第二输入/输出端处的其频率在该第二较高频率范围内的输出信号产生衰减。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，该频率转换是通过行波参量放大器来促进的。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，该频率转换是通过可调谐移相器和/或约瑟夫森参量转换器来促进的。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，该第一频率滤波器和/或该第二频率滤波器处的频率滤波被无源地执行。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，该第一较低频率范围与该第二较低频率范围相对应，和/或该第一较高频率范围与该第二较高频率范围相对应。
17.一种方法，包括：
执行根据权利要求10至16中任一项所述的第一方法；
促进在第三频率滤波器处进行频率滤波，其中，频率在第三频率范围内的信号被传输，并且频率在该第三频率范围之外的频率范围内的信号被终止；
促进在该第三频率滤波器处的频率滤波与该第一频率滤波器或该第二频率滤波器处的频率滤波之间进行第二频率转换，使得：
响应于对具有输入频率的输入信号执行该第一方法，从该第三频率滤波器产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号；或者
响应于向该第三频率滤波器提供具有输入频率的输入信号，从该第一频率滤波器或该第二频率滤波器产生具有与该输入频率基本相对应的输出频率的输出信号。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，该方法被执行以防止反作用噪声进入量子处理单元。
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