DE112017003036T5

DE112017003036T5 - Skalierbares Ansteuern und Auslesen von QUBITS

Info

Publication number: DE112017003036T5
Application number: DE112017003036.6T
Authority: DE
Inventors: Baleegh Abdo; Jerry Chow
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2018055607A1; JP2020501216A; US20180091141A1; GB2569487A; US9735776B1; US10171077B2; JP6912559B2; GB2598059A; GB2598059B; GB202115090D0; CN110024282A; GB2569487B; GB201904730D0

Abstract

Ein System zum Ansteuern und Auslesen von Qubits weist einen ersten verlustfreien Mikrowellenschalter auf, der mit einem Quantensystem verbunden ist. Ein zweiter verlustfreier Mikrowellenschalter ist mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter verbindbar. Ein quantenlimitierter Verstärker ist mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter verbindbar.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf supraleitende elektronische Einheiten und insbesondere ein Schema zum skalierbaren Ansteuern und Auslesen von Qubits.
In der Schaltungsquanten-Elektrodynamik werden bei der Quanten-Datenverarbeitung nichtlineare supraleitende Einheiten verwendet, die als Qubits bezeichnet werden, um Quanteninformationen bei Mikrowellenfrequenzen zu bearbeiten und zu speichern, und Resonatoren verwendet (z.B. ein zweidimensionaler (2D-) planarer Wellenleiter oder ein dreidimensionaler (3D-) Mikrowellenhohlraum), um Qubits auszulesen und die Interaktion zwischen ihnen zu ermöglichen. Beispielsweise kann jedes supraleitende Qubit einen oder mehrere Josephson-Übergänge enthalten, die von Kondensatoren parallel zu den Übergängen geschaltet werden. Die Qubits sind kapazitiv mit Resonatoren (z.B. 2D- oder 3D-Mikrowellenhohlräume) gekoppelt.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein System zum Ansteuern und Auslesen von Qubits bereitgestellt. Das System enthält einen ersten verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit einem Quantensystem verbunden ist, einen zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter verbunden werden kann, und einen quantenlimitierten Verstärker, der mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter verbunden werden kann.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein System zum Ansteuern und Auslesen von Qubits bereitgestellt. Das System enthält einen ersten verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit einem Quantensystem verbunden ist, bei dem ein erster Eingang mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter verbunden werden kann, und ein quantenlimitierter Verstärker kann mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter verbunden werden. Das System enthält außerdem einen zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit dem Quantensystem verbunden ist, bei dem ein zweiter Eingang mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter verbunden werden kann. Der zweite Eingang ist zum Ansteuern des Quantensystems konfiguriert, und der erste Eingang ist zum Auslesen des Quantensystems konfiguriert.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein System zum Ansteuern und Auslesen von Qubits bereitgestellt. Das System enthält einen verlustfreien Mikrowellensignalverteiler, der mit einem Quantensystem verbunden ist, in dem ein erster Eingang an den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler verbunden werden kann. Das System enthält einen verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit dem Quantensystem verbunden ist, bei dem ein zweiter Eingang mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter verbunden werden kann. Der zweite Eingang ist konfiguriert zum Ansteuern des Quantensystems über den verlustfreien Mikrowellenschalter, und der erste Eingang ist konfiguriert zum Auslesen des Quantensystems über den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein System zum Ansteuern und Auslesen von Qubits bereitgestellt. Das System enthält einen verlustfreien Mikrowellensignalverteiler, der mit einem Quantensystem verbunden ist, bei dem ein erster Eingang mit dem verlustfreien Mikrowellensignalverteiler verbunden ist. Das System enthält einen verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit dem Quantensystem verbunden ist, bei dem ein zweiter Eingang mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter verbunden werden kann. Der zweite Eingang ist konfiguriert zum Ansteuern des Quantensystems über den verlustfreien Mikrowellenschalter. Das System enthält außerdem einen verlustfreien Mikrowellensignal-Kombinierer, der mit dem Quantensystem verbunden ist, bei dem der erste Eingang konfiguriert ist zum Auslesen des Quantensystem über den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler und den verlustfreien Mikrowellensignal-Kombinierer.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
2 ist eine Blockdarstellung des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers von 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
3 ist eine schematische Darstellung des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, die Senden als Betriebsart gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
4 ist eine schematische Darstellung des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, die Reflexion als Betriebsart gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
5 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
6 ist eine Blockdarstellung des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers von 5 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
7 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
8 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers von 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
9 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers mit N Anschlüssen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
10 ist eine schematische Darstellung einer Einheit, die einen Mikrowellen-Kombinierer für Quantensignale gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
11 ist eine schematische Darstellung einer Einheit, die einen Mikrowellen-Verteiler für Quantensignale gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt.
12 ist ein System, das die Einheit zeigt, die in einer Quantensystem-Anwendung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen verwendet wird.
13 veranschaulicht Einheiten als Kaskadenbaum von Leistungskombinierern gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
14 ist eine schematische Darstellung der Einheit, die einen Mikrowellen-Kombinierer für Quantensignale gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
15 ist ein System zum Ansteuern von Qubits und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
16 ist ein System zum Ansteuern von Qubits und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
17 ist ein System zum Ansteuern von Qubits und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
18 ist ein System zum Ansteuern von Qubits und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
19 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Systems von 15 zum Ansteuern und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
20 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Systems von 16 zum Ansteuern und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
21 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Systems von 17 zum Ansteuern und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
22 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Systems von 18 zum Ansteuern und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

GENAUE BESCHREIBUNG
Verschiedene Ausführungsformen werden hier unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Alternative Ausführungsformen können entwickelt werden, ohne vom Umfang dieses Dokuments abzuweichen. Es wird angemerkt, dass verschiedene Verbindungen und Positionsbeziehungen (z.B. über, unter, nebeneinander usw.) zwischen Elementen in der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen angegeben sind. Diese Verbindungen und/oder Positionsbeziehungen können, sofern nicht anders angegeben, direkt oder indirekt sein und sollen diesbezüglich nicht einschränkend sein. Dementsprechend kann sich eine Verbindung von Entitäten auf eine direkte oder eine indirekte Verbindung beziehen, und eine Positionsbeziehung zwischen Entitäten kann eine direkte oder indirekte Positionsbeziehung sein. Als ein Beispiel für eine indirekte Positionsbeziehung enthalten Verweise auf Bilden der Schicht „A“ über der Schicht „B“ Situationen, bei denen eine oder mehrere Zwischenschichten (z.B. eine Schicht „C“) zwischen einer Schicht „A“ und einer Schicht „B“ liegen solange die relevanten Eigenschaften und Funktionalitäten der Schicht „A“ und der Schicht „B“ durch die Zwischenschicht(en) nicht wesentlich verändert werden.
Die dem Qubit zugehörige elektromagnetische Energie wird in den Josephson-Übergängen und in den kapazitiven und induktiven Elementen gespeichert, die das Qubit bilden. In einem Beispiel wird zum Auslesen des Qubit-Zustands ein Mikrowellensignal an den Mikrowellen-Auslesehohlraum angelegt, das mit dem Qubit bei der dem Qubit-Zustand entsprechenden Hohlraumfrequenz koppelt. Das übertragene (oder reflektierte) Mikrowellensignal durchläuft mehrere thermische Isolationsstufen und rauscharme Verstärker, die erforderlich sind, um das Rauschen zu beseitigen oder zu reduzieren und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Das Mikrowellensignal wird bei Raumtemperatur gemessen. Ein zurückgegebenes Mikrowellensignal High zeigt an, dass sich das Qubit in einem Zustand High befindet, und ein Mikrowellensignal Low zeigt einen Zustand Low an. Das Mikrowellen-Auslesen stellt eine stabile Signalamplitude für die Steuerung bereit, und eine handelsübliche Standard-Hardware (COTS) ist verfügbar, die die meisten Mikrowellen-Frequenzbereiche abdeckt.
Quantensysteme wie supraleitende Qubits sind sehr empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, insbesondere im Mikrowellen- und Infrarotbereich. Um diese Quantensysteme vor Mikrowellen- und Infrarotstörungen zu schützen, werden mehrere Schichten zum Filtern, Dämpfen und Isolieren angewendet. Von besonderem Interesse sind die Schutzschichten, die an den Eingangs- und Ausgangsleitungen (E/A-Leitungen) verwendet werden, die auch als Übertragungsleitungen bezeichnet werden, die mit dem Quantensystem verbunden sind und die Eingangs- und Ausgangssignale zu bzw. von dem Quantensystem befördern. Bei supraleitenden Qubits handelt es sich bei diesen E/A-Leitungen (Übertragungsleitungen) üblicherweise um Mikrowellen-Koaxialleitungen oder Wellenleiter. Einige der Techniken oder Komponenten, die verwendet werden, um das Rauschen zu beseitigen oder zu dämpfen, die sich in diesen Übertragungsleitungen ausbreiten oder in diese eindringen, sind Dämpfungsglieder, Zirkulatoren, Isolatoren, Tiefpass-Mikrowellenfilter, Bandpass-Mikrowellenfilter und Infrarotfilter, die auf verlustbehafteten Absorptionsmaterialien beruhen. Diese Komponenten zur Rauschisolierung und Techniken zur Mikrowellen-Signalverstärkung erfordern jedoch einen großen Umfang an zusätzlicher Mikrowellen-Hardware und Zusatzkosten.
Nun zu einem Überblick über Aspekte der vorliegenden Erfindung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen, wobei supraleitende (oder verlustfreie) Mikrowellenschalter/Router ermöglichen, Quanten-Signale auf Anforderung zwischen verschiedenen Knoten einer Schaltung oder zwischen verschiedenen Anschlüssen zu lenken. Supraleitende Mikrowellenschalter können viele Anwendungen im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung haben. Beispielsweise können supraleitende Mikrowellenschalter für zeitgemultiplextes Auslesen, zeitgemultiplexte Ansteuerung (z.B. Kreuzresonanzansteuerung), zeitgemultiplexte Charakterisierung mehrerer Einheiten, zeitgemultiplexte Interaktion zwischen Paaren von Quantensystemen, zeitabhängige Zirkulation von Signalen usw. verwendet werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein supraleitender Mikrowellenschalter bereitgestellt, der einen Eingangsanschluss und N Ausgangsanschlüsse haben kann. Der supraleitende Mikrowellenschalter kann außerdem einen Ausgangsanschluss und N Eingangsanschlüsse haben. Alle Anschlüsse der supraleitenden Mikrowellen-Einheit sind so ausgelegt, dass sie die gleiche charakteristische Impedanz Z₀ haben. Bei einer Implementierung ist jedes Eingabe-Ausgabe-Paar über ein abstimmbares Tiefpassfilter angeschlossen, dessen Grenzfrequenz vor Ort unter Verwendung eines einwirkenden magnetischen Flusses eingestellt werden kann. Das abstimmbare Tiefpassfilter kann unter Verwendung einer Kette von seriellen induktiven Elementen (z.B. supraleitenden Gleichstrom-Quanteninterferenzeinheiten (SQUIDs)) und kapazitiven Nebenschluss-Elementen (z.B. Kondensatoren mit konzentrierten Elementen) implementiert werden. In einer weiteren Implementierung kann jedes Eingabe-Ausgabe-Paar über ein abstimmbares Hochpassfilter angeschlossen sein, dessen Grenzfrequenz vor Ort unter Einwirkung eines angelegten magnetischen Flusses eingestellt werden kann, und das abstimmbare Hochpassfilter kann unter Verwendung von seriellen kapazitiven Elementen (z.B. Kondensatoren mit konzentrierten Elementen) und induktiven Nebenschluss-Elementen (z.B. DC-SQUIDs) implementiert werden.
Nun zu einer genaueren Beschreibung von Aspekten der vorliegenden Erfindung, wobei 1 eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist. 1 veranschaulicht Bausteine des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 auf der Grundlage eines abstimmbaren Filters 20. In diesem Beispiel handelt es sich bei dem abstimmbaren Filter 20 um ein abstimmbares Tiefpassfilter (TLPF). Es versteht sich jedoch, dass Ausführungsformen nicht auf Tiefpassfilter beschränkt sind, wie weiter unten erläutert wird.
In diesem Beispiel enthält der supraleitende Mikrowellenschalter/Router 100 Anschlüsse 10, wie beispielsweise Anschlüsse 1 und 2. Die Anschlüsse 10 sind Eingangs- und Ausgangsanschlüsse. Das abstimmbare Filter 20 enthält eine oder mehrere Elementarzellen 60. Jede Elementarzelle 60 enthält eine einstellbare Spule 40, die als variables induktives Element L₁ bezeichnet wird (und zu weiteren Beispielen gehören L₂, L₃ und DC-SQUIDs, die weiter unten erörtert werden), und jede Elementarzelle 60 enthält einen Kondensator 50, der als kapazitives Element C bezeichnet wird. In jeder Elementarzelle 60 ist die einstellbare Spule L₁ 40 in Serie mit den Anschlüssen 10 verbunden, und ein Kondensator C 50 ist mit einem Ende der variablen Spule 40 und mit Masse verbunden. Es gibt eine Anzahl N von Elementarzellen 60, die sich für insgesamt N Elementarzellen bei dem abstimmbaren Filter 20 wiederholen und miteinander (in Reihe geschaltet) verbunden sind. Für N Elementarzellen sind die Spulen L₁ 40 in Reihe geschaltet, wobei bei jeder Spule L₁ 40 ein entsprechender Kondensator 50 nach Masse geschaltet ist. Die Verbindung der Anschlüsse 10, der einstellbaren Spulen L₁ 40 und der Kondensatoren C 50 erfolgt durch die Übertragungsleitung 30. Die Übertragungsleitung 30 wirkt als supraleitender Draht oder Wellenleiter, um ein Mikrowellensignal vom Anschluss 1 über das abstimmbare Filter 20 zum Anschluss 2 oder umgekehrt zu übertragen. Ein Koaxialkabel kann mit den äußeren Enden der Anschlüsse 10 verbunden sein, so dass ein Koaxialkabel Mikrowellensignale eingibt und ein anderes Koaxialkabel die Mikrowellensignale ausgibt. Die Übertragungsleitung 30 kann eine Streifenleitung, ein Mikrostreifen usw. sein. Die variablen Spulen 40, die Kondensatoren 50 und die Übertragungsleitungen 30 sind aus supraleitendem Werkstoff hergestellt. Zu Beispielen von supraleitenden Werkstoffen (bei niedrigen Temperaturen, wie etwa 10 bis 100 Millikelvin (mK) oder etwa 4 K) gehören Niob, Aluminium, Tantal usw.
2 ist eine Blockdarstellung des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 von 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 2 ist eine Ersatzschaltung von 1., ohne die internen Einzelheiten des abstimmbaren Filters 20 darzustellen.
Es kann angenommen werden, dass das Mikrowellensignal, das durch den supraleitenden Mikrowellenschalter/Router 100 übertragen werden soll, eine Mittenwinkelfrequenz ω₀ hat. Die Impedanzbezeichnung Z₀ ist die charakteristische Impedanz an den Anschlüssen 1 und 2 (die die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse oder umgekehrt sein können). Beispielsweise kann die charakteristische Impedanz Z₀ an jedem Anschluss 50 Ohm (Ω) betragen.
Für eine einzelne Elementarzelle 60 ist die Impedanz Z₁, wobei $Z_{1} = \sqrt{\frac{L_{1}}{C}}$
und wobei die Winkelfrequenz ω₁ der Elementarzelle 60 $ω_{1} = \frac{1}{\sqrt{C L_{1}}}$
ist. Die Grenzwinkelfrequenz des abstimmbaren Filters 20, die als ω_C bezeichnet ist, liegt in der Größenordnung der Resonanzwinkelfrequenz ω₁ der Elementarzelle (oder mehrerer Elementarzellen, die zusammengefügt wurden) und korreliert mit ω₁, was bedeutet, dass ω_C mit ω₁ größer und kleiner wird. Die genaue Abhängigkeit des Wertes ω_C von ω₁ und der Anzahl von Elementarzellen N kann durch eine Mikrowellen-Simulation oder Berechnung gefunden werden. Daraus folgt, dass die Grenzfrequenz ω_C des abstimmbaren Filters 20 von den Werten der variablen Spule L₁ 40 und des Kondensators C 50 (für die eine oder die mehreren Elementarzellen 60) abhängt. Insbesondere steuert die Induktivität der variablen Spule L₁ 40 die Grenzfrequenz ω_C des abstimmbaren Filters 20, wodurch gesteuert wird, wann das abstimmbare Filter 20 in Bezug auf das Mikrowellensignal (Mittenwinkelfrequenz ω₀) in der Betriebsart Übertragen oder Reflexion betrieben wird. Die Induktivität der variablen Spulen L₁ 40 hat eine inverse Beziehung zu der Grenzfrequenz ω_C. Wenn z.B. die Induktivität der variablen Spule L₁ 40 vergrößert wird, verkleinert sich die Grenzfrequenz ω_C des abstimmbaren Filters. Wenn umgekehrt die Induktivität der variablen Spule L1 40 verkleinert wird, wird die Grenzfrequenz ω_C des abstimmbaren Filters 20 größer. Es wird angemerkt, dass ein Variieren der Induktivität der Elementarzelle nicht nur die Grenzfrequenz des Filters, sondern auch seine charakteristische Impedanz ändert. Deswegen kann es erwünscht sein, dass Z₁ oder die charakteristische Impedanz des Filters mit der charakteristischen Impedanz der Anschlüsse so weit wie möglich übereinstimmt, wenn der Schalter geschlossen ist, d.h., in der Betriebsart Übertragung betrieben wird.
Wenn demzufolge ein Betrieb bei geschlossenem Schalter erfolgt, wird der supraleitende Mikrowellenschalter/Router 100 so gesteuert, dass er das Mikrowellensignal (Mittenwinkelfrequenz ω₀) bei der Übertragung vom Anschluss 1 zum Anschluss 2 (oder umgekehrt) durch Verringern der Induktivität der variablen Spule L₁ 40 in dem abstimmbarem Filter 20 durchlässt. Das ermöglicht, dass das Mikrowellensignal (Mittenwinkelfrequenz ω₀) in das Tiefpassband des abstimmbaren Filters 20 fällt. Beim Betrieb als offener Schalter wird der supraleitende Mikrowellenschalter/Router 100 so gesteuert, dass er das Übertragen des Mikrowellensignals (Mittenwinkelfrequenz ω₀) vom Anschluss 1 zum Anschluss 2 (oder umgekehrt) durch Erhöhen der Induktivität der variablen Spule L₁ 40 in dem abstimmbaren Filter 20 unter Verwendung von Reflexion gesperrt. Das ermöglicht, dass das Mikrowellensignal (Mittenwinkelfrequenz ω₀) außerhalb des Tiefpassbereichs liegt und somit gedämpft oder mit anderen Worten reflektiert wird.
3 ist eine schematische Darstellung des supraleitenden Mikrowellen-Schalters/Routers 100, die die Betriebsart Transmission gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen veranschaulicht. In 3 ist das abstimmbare Filter 20 so abgestimmt, dass die Mittenwinkelfrequenz ω₀ des durch den Anschluss der Einheit ankommenden Mikrowellensignals 305 kleiner ist als die Grenzfrequenz ω_C des abstimmbaren Filters 20, d.h. ω₀ < ω_C. In dieser Betriebsart ist das abstimmbare Filter 20 so konfiguriert, dass es in der Betriebsart Transmission betrieben wird, da die Frequenz des Mikrowellensignals 305 niedriger als die Grenzfrequenz des abstimmbaren Tiefpassfilters 20 ist. Unter dieser Bedingung wird das Mikrowellensignal 305 vom Anschluss 1 über das abstimmbare Filter 20 zum Anschluss 2 gesendet, so dass das Mikrowellensignal 305 wie gewünscht ausgegeben wird.
4 ist eine schematische Darstellung des supraleitenden Mikrowellen-Schalters/Routers 100, die die Betriebsart Reflexion gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen veranschaulicht. In 4 ist das abstimmbare Filter 20 so abgestimmt, dass die Mittenwinkelfrequenz ω₀ des Mikrowellensignals 305 größer als die Grenzfrequenz ω_C des abstimmbaren Filters 20 ist, d.h. ω₀ > ω_C. In dieser Betriebsart ist das abstimmbare Filter 20 so konfiguriert, dass es in der Betriebsart Reflexion betrieben wird, da die Frequenz des Mikrowellensignals 305 größer als die Grenzfrequenz des abstimmbaren Tiefpassfilters 20 ist. Unter dieser Bedingung wird das Mikrowellensignal 305, wenn es durch den Anschluss 1 eintritt, daran gehindert, zum Anschluss 2 zu gelangen, da das abstimmbare Filter 20 das Mikrowellensignal 305 reflektiert, wodurch das Mikrowellensignal 305 nicht vom Anschluss 1 zum Anschluss 2 gelangen kann.
5 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 6 ist eine Blockdarstellung des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 von 5 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 6 ist eine Ersatzschaltung zu 5, ohne dass die internen Einzelheiten des abstimmbaren Filters 20 dargestellt werden. Die 5 und 6 sind analog zu den 1 und 2 mit der Ausnahme, dass die 5 und 6 auf 3 Anschlüsse anstelle von 2 Anschlüssen erweitert wurden. Es versteht sich, dass der supraleitende Mikrowellenschalter/Router 100 bei Bedarf auf eine Anzahl von N Anschlüssen erweitert werden kann.
In der in den 5 und 6 dargestellten Konfiguration sind zwei abstimmbare Filter 20 vorhanden. Ein abstimmbares Filter 20 ist zwischen Anschluss 1 und Anschluss 2 geschaltet, während das andere abstimmbare Filter 20 zwischen Anschluss 1 und Anschluss 3 geschaltet ist. Jedes der abstimmbaren Filter 20 ist aus einer oder mehreren Elementarzellen 60 gebildet wie oben erläutert. Zu Erklärungszwecken werden die eine oder die mehreren variablen Spulen 40 als L₂ in dem abstimmbaren Filter 20 gekennzeichnet, das zwischen die Anschlüsse 1 und 2 geschaltet ist, während die eine oder die mehreren variablen Spulen 40 als L₃ in dem abstimmbaren Filter 20 gekennzeichnet werden, das zwischen die Anschlüsse 1 und 3 geschaltet ist. Die abstimmbaren Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2 bzw. den Anschlüssen 1 und 3 werden einzeln so gesteuert, dass das eine in der Betriebsart Transmission betrieben werden kann, während das andere in der Betriebsart Reflexion betrieben wird.
Das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2 enthält eine oder mehrere Elementarzellen 60. Jede Elementarzelle 60 enthält eine variable Spule L₂ 40 und einen Kondensator 50. In jeder Elementarzelle 60 ist die variable Spule L₂ 40 mit den Anschlüssen 1 und 2 in Reihe geschaltet, und der Kondensator C 50 ist mit einem Ende der variablen Spule 40 und mit Masse verbunden. Es können eine Anzahl von N Elementarzellen 60 vorhanden sein, die sich in dem abstimmbaren Filter 20 für insgesamt N Elementarzellen zwischen den Anschlüssen 1 und 2 wiederholen und miteinander verbunden sind. Für das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2 beträgt die Impedanz jeder Elementarzelle Z₂ wobei $Z_{2} = \sqrt{\frac{L_{2}}{C}}$
und Winkelfrequenz ist ω₂ wobei $ω_{2} = \frac{1}{\sqrt{C L_{2}}} .$
In ähnlicher Weise enthält das abstimmbare Filter 20, das zwischen die Anschlüsse 1 und 3 geschaltet ist, eine oder mehrere Elementarzellen 60. Jede Elementarzelle 60 enthält eine variable Spule L₃ 40 und einen Kondensator 50. In jeder Elementarzelle 60 ist die variable Spule L₃ 40 mit den Anschlüssen 1 und 3 in Reihe geschaltet, und der Kondensator C 50 ist mit einem Ende der variablen Spule L₃ 40 und mit Masse verbunden. Es können Anzahl von N Elementarzellen 60 vorhanden sein, die sich in dem abstimmbaren Filter 20 für insgesamt N Elementarzellen zwischen den Anschlüssen 1 und 3 wiederholen und miteinander verbunden sind. Für das abstimmbare Filter 20, das zwischen die Anschlüsse 1 und 3 geschaltet ist, beträgt die Impedanz jeder Elementarzelle Z₃, wobei $Z_{3} = \sqrt{\frac{L_{3}}{C}}$
und die Winkelfrequenz ist ω₃, wobei $ω_{3} = \frac{1}{\sqrt{C L_{3}}} .$
Es versteht sich, dass zusätzliche Anschlüsse und abstimmbare Filter nach Wunsch analog hinzugefügt werden können.
Oben wurde in 2 die Grenzfrequenz des einzelnen abstimmbaren Filters 20 als ω_C bezeichnet. Da in den 3 und 4 mehr als ein abstimmbares Filter 20 vorgesehen ist, ist bei dem abstimmbaren Filter 20, das zwischen die Anschlüsse 1 und 2 geschaltet ist, die Grenzfrequenz mit ω_C2 bezeichnet, während bei dem abstimmbaren Filter 20, das zwischen die Anschlüsse 1 und 3 geschaltet ist, die Grenzfrequenz mit ω_C3 bezeichnet ist.
Für den Betrieb des Mikrowellensignals 305 bei der Übertragung von/zwischen dem Anschluss 1 zum Anschluss 2 (oder umgekehrt) wird das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2 so abgestimmt, dass die Mittenwinkelfrequenz ω₀ des Mikrowellensignals 305 kleiner ist als die Grenzfrequenz ω_C2 des abstimmbaren Filters 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2, während das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 3 so abgestimmt ist, dass die Mittenwinkelfrequenz ω₀ des Mikrowellensignals 305 viel größer ist als die Grenzfrequenz ω_C3 zwischen den Anschlüssen 1 und 3: ω_C3 << ω₀ < ω_C2. In dieser Betriebsart ist das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2 so konfiguriert, dass es in der Betriebsart Transmission betrieben wird, da das Mikrowellensignal 305 (ω₀) kleiner als die Grenzfrequenz ω_C2 ist, und daher wird das Mikrowellensignal 305 vom Anschluss 1 durch das abstimmbare Filter 20 zum Anschluss 2 übertragen, so dass das Mikrowellensignal 305 wie gewünscht ausgegeben wird. Gleichzeitig ist das zwischen die Anschlüsse 1 und 3 geschaltete abstimmbare Filter 20 so konfiguriert, dass es in der Betriebsart Reflexion betrieben wird, da das Mikrowellensignal 305 (ω₀) größer als die Grenzfrequenz (ω_C3) ist, und daher wird das Mikrowellensignal 305 daran gehindert, von Anschluss 1 zu Anschluss 3 zu gelangen. Zu zusätzlichen Bedingungen für Transmission vom Anschluss 1 zum Anschluss 2 (oder umgekehrt) gehört Impedanzanpassung Z₂ ≃ Z₀. Zu zusätzlichen Bedingungen für Reflexion von/zwischen den Anschlüssen 1 und 3 gehört Z₃ >> Z₀.
Andererseits wird für den Betrieb des Mikrowellensignals 305 bei Transmission von/zwischen dem Anschluss 1 zum Anschluss 3 (oder umgekehrt) das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 3 so abgestimmt, dass die Mittenwinkelfrequenz ω₀ des Mikrowellensignals 305 kleiner ist als die Grenzfrequenz ω_C3 des abstimmbaren Filters 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 3, während das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2 so abgestimmt ist, dass die Mittenwinkelfrequenz ω₀ des Mikrowellensignals 305 viel größer ist als die Grenzfrequenz ω_C2 zwischen den Anschlüssen 1 und 2: ω_C2 << ω₀ < ω_C3. In dieser Betriebsart ist das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 3 so konfiguriert, dass es in der Betriebsart Transmission arbeitet, da das Mikrowellensignal 305 (ω₀) kleiner ist als die Grenzfrequenz ω_C3, und daher wird das Mikrowellensignal 305 vom Anschluss 1 über das abstimmbare Filter 20 zum Anschluss 3 übertragen, so dass das Mikrowellensignal 305 wie gewünscht ausgegeben wird. Gleichzeitig ist das zwischen die Anschlüsse 1 und 2 geschaltete abstimmbare Filter 20 so konfiguriert, dass es in der Betriebsart Reflexion arbeitet, da das Mikrowellensignal 305 (ω₀) größer ist als die Grenzfrequenz (ω_C2), und daher wird das Mikrowellensignal 305 in diesem Beispiel daran gehindert, von Anschluss 1 zu Anschluss 2 zu gelangen. Zu zusätzlichen Bedingungen für Transmission vom Anschluss 1 zum Anschluss 3 (oder umgekehrt) gehört Z₃ ≃ Z₀ zur Impedanzanpassung. Zu zusätzlichen Bedingungen für Reflexion von/zwischen den Anschlüssen 1 und 2 gehört Z₂ >> Z₀.
7 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 7 ist analog zu den 5 und 6, außer dass in 7 der verlustfreie/supraleitende Mikrowellenschalter/Router 100 unter Verwendung von supraleitenden Gleichstrom- (DC-) Quanteninterferenzeinheiten (SQUIDs) implementiert wird. In 7 sind alle variablen Spulen 40 (oben erläutert) als (variable) DC-SQUIDs 705 in dem abstimmbaren Filter 20 implementiert. Es wird angemerkt, dass die abstimmbaren Filter 20 in 7 so konfiguriert sind, dass sie in den Betriebsarten Transmission und Reflexion in Bezug auf jedes der abstimmbaren Filter 20 arbeiten, wie oben erläutert. Es versteht sich auch, dass der supraleitende Mikrowellenschalter/Router 100 je nach Wunsch auf eine Anzahl von N Anschlüssen erweitert werden kann.
In der in 7 dargestellten Konfiguration sind zwei abstimmbare Filter 20 und drei Anschlüsse 10 dargestellt, obwohl mehr Anschlüsse 10 und abstimmbare Filter 20 analog hinzugefügt werden können. Ein abstimmbares Filter 20 ist zwischen Anschluss 1 und Anschluss 2 geschaltet, während das andere abstimmbare Filter 20 zwischen Anschluss 1 und Anschluss 3 geschaltet ist. Jedes der abstimmbaren Filter 20 ist aus einer oder mehreren Elementarzellen 60 gebildet, wie hier erläutert
Für das abstimmbare Filter 20, das zwischen Anschluss 1 und Anschluss 2 geschaltet ist, enthält jede Elementarzelle 60 einen oder mehrere DC-SQUIDs 705_2. In der Einheitszelle 60 verbindet der Kondensator 50 den einen oder die mehreren DC-SQUIDs 705_2 mit Masse. Wenn mehr als ein DC-SQUID 705_2 in der Elementarzelle 60 verwendet wird, sind die DC-SQUIDs 705_2 in Reihe geschaltet. Es können insgesamt M DC-SQUIDs 705_2 pro Elementarzelle vorhanden sein, wobei M eine ganze Zahl von 1 oder größer ist. Das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2 enthält eine oder mehrere Elementarzellen 60, so dass jede Elementarzelle 60 mit den Anschlüssen 1 und 2 in Reihe geschaltet ist, und der Kondensator C 50 ist mit einem Ende des DC-SQUID 705_2 und mit Masse verbunden. In dem abstimmbaren Filter 20 kann N die Anzahl von Elementarzellen 60 sein, die sich wiederholen und in Reihe geschaltet werden, um insgesamt N Elementarzellen zwischen den Anschlüssen 1 und 2 zu bilden, wobei N eine ganze Zahl von 1 oder größer ist. Für das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2 beträgt die Impedanz jeder Elementarzelle Z₂ wobei $Z_{2} = \sqrt{\frac{L_{2}}{C}}$
und die Winkelfrequenz ω₂ ist, wobei $ω_{2} = \frac{1}{\sqrt{C L_{2}}} .$
Es wird darauf hingewiesen, dass jeder DC-SQUID 705_2 eine Induktivität hat und/oder ein induktives Element darstellt, das mit L₂ bezeichnet ist.
Für das abstimmbare Filter 20, das zwischen Anschluss 1 und Anschluss 3 geschaltet ist, enthält jede Elementarzelle 60 einen oder mehrere DC-SQUIDs 705_3. In der Elementarzelle 60 verbindet der Kondensator 50 den einen oder die mehreren DC-SQUIDs 705_3 mit Masse. Wenn mehr als ein DC-SQUID 705_3 in der Elementarzelle 60 verwendet wird, sind die DC-SQUIDs 705_3 in Reihe geschaltet.
Es können insgesamt M DC-SQUIDs 705_3 pro Elementarzelle vorhanden sein, wobei M eine ganze Zahl von 1 oder größer ist. Das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 3 enthält eine oder mehrere Elementarzellen 60, so dass jede Elementarzelle 60 mit den Anschlüssen 1 und 3 in Reihe geschaltet ist, und der Kondensator C 50 ist mit einem Ende des DC-SQUID 705_3 und mit Masse verbunden. In dem abstimmbaren Filter 20 kann N eine Anzahl von Elementarzellen 60 für insgesamt N Elementarzellen sein, die sich zwischen den Anschlüssen 1 und 3 wiederholen und miteinander verbunden sind, wobei N eine ganze Zahl von 1 oder größer ist. Für das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 3 beträgt die Impedanz jeder Elementarzelle Z₃, wobei $Z_{3} = \sqrt{\frac{L_{3}}{C}}$
und die Winkelfrequenz ω₃ ist, wobei $ω_{3} = \frac{1}{\sqrt{C L_{3}}} .$
Es wird darauf hingewiesen, dass jeder DC-SQUID 705_3 eine Induktivität hat und/oder ein induktives Element darstellt, das mit L₃ bezeichnet ist.
Nachfolgend werden weitere Informationen zu DC-SQUIDs bereitgestellt. Eine SQUID (Supraleitende Quanteninterferenzeinheit, Superconducting Quantum Interference Device) ist ein Typ von supraleitender elektronischer Einheit, die dem Fachmann bekannt ist. Der als DC-SQUID bekannte Typ von SQUID enthält insbesondere eine Schleife aus supraleitendem Draht, supraleitendem Dünnschichtmetall oder anderem supraleitendem Werkstoff, die durch zwei oder mehr Josephson-Übergänge (JJ) 710 unterbrochen ist. Die SQUID enthält zwei oder mehr Josephson-Übergänge 710 in einer stromführenden Schleife. Wie dem Fachmann allgemein bekannt ist, ändert sich der kritische Josephson-Strom der Josephson-Übergänge in dem SQUID über das Prinzip der Quanteninterferenz supraleitender Ströme in Abhängigkeit von dem die SQUID-Schleife durchlaufenden Magnetfluss. In ähnlicher Weise ändert sich auch die Josephson-Induktivität, die die Josephson-Übergänge der SQUID aufweisen, in Abhängigkeit von diesem magnetischen Fluss (bei dem es sich um den magnetischen Fluss Φ₂ für jede DC-SQUID 705_2 und den magnetischen Fluss Φ₃ für jede DC-SQUID 705_3 handelt). Des Weiteren können Arrays von SQUIDs in einer elektrischen Schaltung so angeordnet werden, dass ihre Induktivitäten kombiniert werden. Es wird angegeben, dass der magnetische Fluss einer in der Ebene liegenden Schleife eine bekannte und genau definierte Größe darstellt, darunter das Magnetfeld in der Schleife, multipliziert mit dem Cosinus des Winkels, den das Feld mit der Achse senkrecht zur Schleife bildet, über den gesamten Bereich der Schleife integriert. Somit ist die SQUID sowohl gegenüber der Größe als auch der Richtung des Magnetfelds in seiner Umgebung sehr empfindlich (beispielsweise erzeugt die Magnetfluss-Erzeugungsleitung (flux line) 730_2 das Magnetfeld und bewirkt dadurch einen magnetischen Fluss Φ₂ für jede DC-SQUID 705_2, während die Magnetfluss-Erzeugungsleitung 730_3 das Magnetfeld erzeugt und dadurch einen Magnetfluss Φ₃ für jede DC-SQUID 705_3 bewirkt). Auf die DC-SQUID 705_2 und 705_3 wirken jeweils der magnetische Fluss Φ₂ bzw. der magnetische Fluss Φ₃ aus den jeweiligen Magnetfeldern ein, die durch die Magnetfluss-Erzeugungsleitung 730_2 bzw. die Magnetfluss-Erzeugungsleitung 730_3 erzeugt werden, und dadurch wird ihre Josephson-Induktivität geändert (die Josephson-Induktivität wird mit L_J2 für DC-SQUID 705_2 und L_J3 für DC-SQUID 705_3 bezeichnet). Für einen Fachmann ermöglicht diese Empfindlichkeit gegenüber einem Magnetfeld, dass die SQUID als nützliche Komponente in einer elektrischen Schaltung verwendet wird, indem die Änderung der Josephson-Induktivität der SQUID nützliche Änderungen bei den Eigenschaften der Schaltung bewirkt. Die Induktivität L₂ und L₃ der DC-SQUIDs 705_2 bzw. 705_3 entspricht der Josephson-Induktivität L_J2 für DC-SQUID 705_2 und L_J3 für DC-SQUID 705_3. Um die Induktivität L₂ und L₃ der DC-SQUIDs 705_2 und 705_3 unabhängig voneinander zu ändern/zu steuern (zu erhöhen oder zu verringern), sind Magnetfluss-Erzeugungsleitungen 730_2 und 730_3 vorgesehen. Die Magnetfluss-Erzeugungsleitungen können allgemein als Magnetfluss-Erzeugungsleitungen 730 bezeichnet werden. Die Magnetfluss-Erzeugungsleitungen 730_2 und 730_3 legen unabhängig ein magnetisches „Vorspannungs-“ Feld senkrecht zu der SQUID-Schleife der jeweiligen DC-SQUIDs 705_2 und 705_3 an, um den „Arbeitspunkt“ der SQUID einzustellen. Die Magnetfluss-Erzeugungsleitung 730_2 hat einen Strom I₂, der ein Magnetfeld erzeugt, um zu bewirken, dass der magnetische Vorspannungsfluss Φ₂ wie gewünscht geändert wird. In ähnlicher Weise hat die Magnetfluss-Erzeugungsleitung 730_3 einen Strom I₃, der ein Magnetfeld erzeugt, um zu bewirken, dass der magnetische Vorspannungsfluss Φ₃ wie gewünscht geändert wird. Dementsprechend werden die abstimmbaren Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2 bzw. den Anschlüssen 1 und 3 individuell gesteuert, so dass ein Filter in der Betriebsart Transmission betrieben werden kann, während das andere in der Betriebsart Reflexion arbeitet.
Die Induktivität L₂ (pro Elementarzelle 60) für das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 2 kann als L₂ ≃ ML_J2 + L_s definiert werden, wobei M die Anzahl der DC-SQUIDS 705_2 in einer Elementarzelle ist, wobei L_J2 die Josephson-Übergangsinduktivität der DC-SQUID ist und wobei L_s die Serieninduktivität der Übertragungsleitungen 30 (Drähte) jeder Elementarzelle ist. Die Induktivität L₂ jeder Elementarzelle 60 beruht hauptsächlich auf der Induktivität des Josephson-Übergangs L_J2. Daher ist die Induktivität des Josephson-Übergangs L_J2 nachfolgend definiert (ohne Serieninduktivität L_s der Übertragungsleitung 30 (Drähte)): Induktivität des Josephson-Übergangs $L_{J 2} = \frac{L_{J 0}}{| c o s (π \frac{Φ_{2}}{Φ_{0}}) |}, wobei L_{J 0} = \frac{Φ_{0}}{4 π I_{0}},$
wobei I₀ der kritische Strom jedes Josephson-Übergangs 710 ist, wobei Φ₂ der magnetische Vorspannungsfluss ist, den die Schleife erfährt, und wobei $Φ_{0} = \frac{h}{2 e}$
ist (supraleitender magnetischer Flussquant), bei dem h die Planck'sche Konstante und e die Elektronenladung ist.
In ähnlicher Weise kann die Induktivität L₃ (pro Elementarzelle 60) für das abstimmbare Filter 20 zwischen den Anschlüssen 1 und 3 als L₃ ≃ ML_J3 + L_s definiert werden, wobei M die Anzahl der DC-SQUIDS 705_3 in einer Elementarzelle ist, wobei L_J3 die Induktivität des Josephson-Übergangs der DC-SQUID ist und wobei L_s die Serieninduktivität der Übertragungsleitungen 30 (Drähte) jeder Elementarzelle ist. Die Induktivität L₃ jeder Elementarzelle 60 beruht hauptsächlich auf der Induktivität des Josephson-Übergangs L_J3. Daher ist die Induktivität des Josephson-Übergangs L_J3 nachfolgend definiert (ohne Serieninduktivität L_s der Übertragungsleitung 30 (Drähte)): Induktivität des Josephson-Übergangs $\frac{L_{J 0}}{| c o s (π \frac{Φ_{3}}{Φ_{0}}) |}, wobei L_{J 0} = \frac{Φ_{0}}{4 π I_{0}},$
wobei I₀ der kritische Strom der (zwei) Josephson-Übergänge 710 ist, wobei Φ₃ der magnetische Vorspannungsfluss ist, den die Schleife erfährt, und wobei $Φ_{0} = \frac{h}{2 e}$
ist (supraleitender magnetischer Flussquant), bei dem h die Planck'sche Konstante und e die Elektronenladung ist. Bei dieser Analyse gehen die Experimentatoren davon aus, dass die DC-SQUIDs kleine Schleifen haben und dass die Eigeninduktivität der DC-SQUID-Schleife im Vergleich zur Josephson-Induktivität der DC-SQUID vernachlässigbar ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei der Induktivität L₂ um die Induktivität einer Elementarzelle 60 von N Elementarzellen (N≥1) handelt, die in dem abstimmbaren Filter 20 zwischen die Anschlüsse 1 und 2 mit der Übertragungsleitung in Reihe geschaltet ist, und in ähnlicher Weise handelt es sich bei der Induktivität L₃ um die Induktivität einer Elementarzelle 60 von N Elementarzellen (N≥1), die in dem abstimmbaren Filter 20 zwischen die Anschlüsse 1 und 3 mit der Übertragungsleitung in Reihe geschaltet ist.
Der Fachmann versteht, dass die hier erläuterte Gestaltung des abstimmbaren Filters nicht auf identische Elementarzellen in Bezug auf die induktiven und kapazitiven Elemente in jeder Elementarzelle beschränkt ist. Das Bild einer identischen Elementarzelle wird hier hauptsächlich zur Vereinfachung und zum besseren Verständnis dargestellt. Tatsächlich kann das Variieren der Elementarzellen auf der Grundlage der Mikrowellenfiltertheorie vorteilhaft sein und eine bessere Leistung hinsichtlich der maximalen Amplitude der Welligkeiten in der Filterantwort, der Filterflachheit, der Filterbandbreite, der In-Band- und Out-of-Band-Reflexionsrate, des Dämpfungsbetrags in dem Stoppband, usw. erzielen. Dementsprechend sollte es verstanden werden, dass die Elementarzellen in einer oder mehreren Ausführungsformen möglicherweise identisch sein können, um einen oder mehrere der oben erläuterten Vorteile zu verwenden.
Es versteht sich, dass der supraleitende Mikrowellen-Schalter/Router 100 in einer Konfiguration einen Eingangsanschluss und N Ausgangsanschlüsse und/oder einen Ausgangsanschluss und N Eingangsanschlüsse in einer anderen Konfiguration haben kann. Alle Anschlüsse 10 der Einheit haben die gleiche charakteristische Impedanz Z₀. Jedes Eingangs/Ausgangs-Paar ist über ein abstimmbares Tiefpassfilter verbunden, dessen Grenzfrequenz vor Ort unter Verwendung des einwirkenden Magnetflusses abgestimmt werden kann. Das abstimmbare Tiefpassfilter 20 kann unter Verwendung einer Kette von induktiven Elementen (DC-SQUIDs) und kapazitiven Elementen (Kondensatoren mit konzentrierten Elementen) implementiert werden.
Durch Steuern der Gleichströme I₂ und I₃ durch die jeweiligen Magnetfluss-Erzeugungsleitungen 730_2 bzw. 730_3 können die Vormagnetisierungsflusswerte Φ₂ and Φ₃ unabhängig eingestellt werden, die die Induktivität L₂ und L₃ in jeder Kette festlegen. Dadurch wiederum werden die Grenzwinkelfrequenzen ω_C2, ω_C3 der zwei abstimmbaren Filter 20 in Bezug auf ω₀ (des Mikrowellensignals 305) so abgestimmt, dass sich ein Pfad (zwischen den Anschlüssen 1 und 2) in der Betriebsart Transmission befindet, während der andere Pfad (zwischen den Anschlüssen 1 und 3) in der Betriebsart Reflexion arbeitet oder umgekehrt.
Für einen Betrieb in der Betriebsart Reflexion (d.h. zum Sperren des Mikrowellensignals 305) werden bei einem abstimmbaren Filter 20 (zwischen den Anschlüssen 1 und 2 oder zwischen den Anschlüssen 3 und 4) die Gleichströme I₂, I₃ vergrößert, um den magnetischen Vorspannungsfluss Φ₂, Φ₃ (in einer Periode der Cosinusfunktion) zu vergrößern, der dann die Induktivität L₂, L₃, vergrößert und dadurch die Grenzwinkelfrequenz ω_C2, ω_C3 verringert. Für einen Betrieb in der Betriebsart Transmission (d.h. zum Durchleiten des Mikrowellensignals 305) werden umgekehrt bei einem abstimmbaren Filter 20 (zwischen den Anschlüssen 1 und 2 oder zwischen den Anschlüssen 3 und 4) die Gleichströme I₂, I₃ verringert, und dadurch der magnetische Vorspannungsfluss Φ₂, Φ₃ (in einer Periode der Cosinusfunktion) verringert, der dann die Induktivität L₂, L₃, verkleinert und dadurch die Grenzwinkelfrequenz ω_C2, ω_C3 vergrößert.
Die DC-SQUIDs 705, die Kondensatoren 50 (mit Ausnahme des dielektrischen Werkstoffs in den Kondensatoren), die Magnetfluss-Erzeugungsleitungen 730, die Übertragungsleitungen 30 und die Josephson-Übergänge 710 sind aus supraleitendem Werkstoff hergestellt. Zu Beispielen supraleitender Werkstoffe (bei niedrigen Temperaturen, wie etwa 10 bis 100 Millikelvin (mK) oder etwa 4 K) gehören Niob, Aluminium, Tantal usw. Bei einem Josephson-Übergang handelt es sich um ein nichtlineares Element, das aus zwei supraleitenden Metallen gebildet ist, die einen dünnen Isolator beispielsweise aus Aluminiumoxid, Nioboxid usw. sandwichartig einschließen.
8 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 8 ist analog zu den 1 bis 7 mit der Ausnahme, dass es sich bei dieser Umsetzung bei den abstimmbaren Filtern 20 um abstimmbare Hochpassfilter handelt. Indem Hochpassfilter als abstimmbare Filter 20 verwendet werden, werden die induktiven Elemente 40, 705 gegen die kapazitiven Elemente 50 ausgetauscht. Dementsprechend sind die kapazitiven Elemente 50 in Reihe zwischen den Anschlüssen 1 und 2 und zwischen den Anschlüssen 1 und 3 angeordnet, während die induktiven Elemente 40, 705 (Spule oder DC-SQUID) mit einem Ende des kapazitiven Elements 50 verbunden sind und dann mit Masse verbunden sind. Für die Transmission von Anschluss 1 nach Anschluss 2 (oder umgekehrt) gilt folgende Bedingung: ω_c2 < ω₀ << ω_c3. Für die Transmission vom Anschluss 1 zum Anschluss 3 (oder umgekehrt), gilt die folgende Bedingung ω_c3 < ω₀ << ω_c2.
9 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden N-Port-Mikrowellenrouters 100 mit N Anschlüssen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Der supraleitende N-Port-Mikrowellenrouter 100 mit N Anschlüssen ist derart verallgemeinert/gestaltet, dass eine Verbindung spontan zwischen einem beliebigen Paar von Anschlüssen 10 unter Verwendung von Stromimpulsen an die relevanten Magnetfluss-Erzeugungsleitungen hergestellt werden kann, die wiederum die relevanten Filter auf ihre geeignete Flussvorspannungspunkte vorspannen. In dem Moment (oder nahezu in dem Moment), wenn das Mikrowellensignal 305 einen Anschluss 10 erreicht, kann beispielsweise die Verbindung zwischen jedem Paar von Anschlüssen 10 hergestellt werden, um das Mikrowellensignal 305 zu übertragen, während alle anderen Anschlüsse 10 (über ihr jeweiliges abstimmbares Filter 20) das Mikrowellensignal 305 sperren. Dementsprechend kann das Mikrowellensignal 305 zwischen jedem Paar von Anschlüssen 10 gemäß den hier erörterten Grundgedanken geleitet werden.
Der supraleitende Mikrowellenrouter 100 mit N Anschlüssen enthält Anschluss 1, Anschluss I, Anschluss J bis Anschluss N. Jeder der Anschlüsse 1 bis N hat sein eigenes abstimmbares Tiefpassfilter 20, so dass ein einzelner Anschluss 10 mit einem abstimmbaren Filter 20 verbunden ist, das mit einem Knoten 905 verbunden ist. Die in den 1 bis 8 ausführlich beschriebenen Merkmale gelten für 9 und werden der Kürze halber nicht wiederholt, um in 9 nicht vom Wesentlichen abzulenken. Alle Anschlüsse 1 bis N sind symmetrisch und befinden sich auf derselben Grundlage (was sich von den oben beschriebenen supraleitenden Mikrowellenschaltern/Routern 100 unterscheidet). Auf derselben Grundlage zu sein bedeutet, dass der Knoten 905 eine zentrale Verbindungsstelle ist, die alle Anschlüsse 1 bis N verbindet, dass jeder Anschluss 10 sein eigenes abstimmbares Filter 20 hat und dass jedes abstimmbare Filter 20 seine eigene Magnetfluss-Erzeugungsleitung (FL) zum Abstimmen seiner Grenzfrequenz hat.
Um beispielsweise das Mikrowellensignal 305 vom Anschluss N zum Anschluss I zu leiten, müssen beide abstimmbare Filter 20 zwischen dem Anschluss N und dem Knoten 905 und zwischen dem Anschluss I und dem Knoten 905 so eingestellt werden, dass sie in der Betriebsart Transmission sind; gleichzeitig sind alle verbleibenden abstimmbaren Filter 20 so eingestellt, dass sie in der Betriebsart Reflexion sind. Dies ermöglicht, dass das Mikrowellensignal 305 vom Anschluss N zu seinem abstimmbaren Filter 20, zu dem Knoten 905, zu einem mit dem Anschluss I verbundenen abstimmbaren Filter 20 und dann zum Anschluss I übertragen wird.
In Bezug auf den Knoten 905 werden einige technische Einzelheiten erläutert. Im Allgemeinen sollte der Knoten 905 aus zwei Gründen so klein wie möglich sein und idealerweise in Bezug auf die Wellenlängen, die bei dem Betrieb der Einheit verwendet werden, konzentriert sein: 1) Reflexionen gering halten, die die Übertragung des geleiteten Signals einschränken können, und 2) Verbinden mehrerer Übertragungsleitungen mit dem Knoten 905 ermöglichen. Darüber hinaus kann die Fähigkeit, mehrere Übertragungsleitungen mit einem gemeinsamen Knoten 905 zu verbinden, ein Verwenden von (sehr schmalen) Drähten mit hoher Impedanz erfordern, was wiederum erfordern könnte, dass die abstimmbaren Filter eine charakteristische Impedanz haben, die mit der Impedanz der Verbindungsleitungen übereinstimmt, wenn die Filter bei einer Implementierung in der Betriebsart Transmission betrieben werden (um Reflexionen zu minimieren). Wenn sich schließlich die charakteristische Impedanz der abstimmbaren Filter von der charakteristischen Impedanz der Anschlüsse der Einheit unterscheidet, können bestimmte Anpassungsnetzwerke entwickelt und zwischen den Filtern und der Einheit integriert werden (um eine reibungslose Übertragung der sich ausbreitenden Signale zu ermöglichen).
Ein Verfahren zu Konfigurieren eines verlustfreien/supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird bereitgestellt. Es kann auf die hier erläuterten 1 bis 9 verwiesen werden. Eine Mehrzahl von Anschlüssen 10 wird bereitgestellt. Abstimmbare Filter 20 werden bereitgestellt und sind mit den Anschlüssen 10 verbunden, so dass jeder der mehreren Anschlüsse 10 ein entsprechendes der abstimmbaren Filter 20 hat. Die abstimmbaren Filter 20 sind mit einem Knoten 905 (einem leitenden Verbindungspunkt) verbunden. Eine Mehrzahl von Magnetfluss-Erzeugungsleitungen (FL) 730 ist vorgesehen, so dass eine einzelne Magnetfluss-Erzeugungsleitung aus der Mehrzahl von Magnetfluss-Erzeugungsleitungen 730 ein einzelnes Filter der abstimmbaren Filter 20 eins zu eins abstimmt. Eine Mehrzahl von Magnetquellen (wie etwa Magnetfluss-Erzeugungsleitungen, stromführende Drähte, durchstimmbare Magnete usw.) sind so vorgesehen, dass eine einzelne Magnetquelle aus der Mehrzahl von Magnetquellen ein einzelnes Filter der abstimmbaren Filter 20 eins zu eins abstimmt. Es sei darauf hingewiesen, dass dieses Bild einer Magnetfluss-Erzeugungsleitung, die ein abstimmbares Filter steuert, vereinfacht sein kann. Dies liegt daran, dass die Antwort/Induktivität der DC-SQUIDs durch den Gesamtfluss bestimmt wird, der ihre Schleife durchsetzt, und dass daher jede Änderung des Stroms anderer Magnetfluss-Erzeugungsleitungen die Flussvorspannung, die auf die DC-SQUID einwirkt, grundsätzlich ändern kann. Natürlich nimmt der induzierte Fluss durch die anderen Magnetfluss-Erzeugungsleitungen mit dem Abstand zwischen ihnen und der DC-SQUID beträchtlich ab, somit können die Experimentatoren deren Beitrag erheblich reduzieren, wenn sie ausreichend voneinander getrennt werden. Trotzdem kann es ein oder mehrere Szenarien geben, bei denen zum Abstimmen der Flussvorspannung eines Filters mehrere Änderungen bei den in nahegelegenen Magnetfluss-Erzeugungsleitungen fließenden Strömen angewendet werden können, so dass die Ströme die gewünschte Flussvorspannung in den verschiedenen gesteuerten Filtern ergeben.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Konfigurieren eines verlustfreien/supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 bereitgestellt. Es kann auf die hier erläuterten 1 bis 9 verwiesen werden. Eine Mehrzahl von Anschlüssen 10 ist vorgesehen. Abstimmbare Filter 20 sind mit der Mehrzahl von Anschlüssen 10 verbunden, wobei jeder Anschluss aus der Mehrzahl von Anschlüssen 10 einem der abstimmbaren Filter 20 zugeordnet ist, wobei jedes der abstimmbaren Filter 20 eine supraleitende Quanteninterferenzeinheit 705 enthält. Bei den abstimmbaren Filtern 20 kann es sich um Tiefpassfilter handeln. Bei den abstimmbaren Filtern 20 kann es sich um Hochpassfilter handeln.
Ein Verfahren zum Konfigurieren eines verlustfreien/supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 wird gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen bereitgestellt. Es kann auf die hier erläuterten 1 bis 9 verwiesen werden. Ein Knoten 905 ist als zentraler Verbindungspunkt vorgesehen. Abstimmbare Filter 20 sind mit dem Knoten 905 verbunden, wobei die abstimmbaren Filter 20 so konfiguriert sind, dass sie unabhängig voneinander auf einen ersten Zustand (d.h. Betriebsart Transmission) abgestimmt werden können, um ein Mikrowellensignal 305 zu übertragen, und dass sie unabhängig auf einen zweiten Zustand (d.h. Betriebsart Reflexion) abgestimmt werden können, um das Mikrowellensignal 305 zu sperren, so dass jedes der abstimmbaren Filter 20 so konfiguriert ist, dass es das Signal über den Knoten 905 zu jedem anderen der abstimmbaren Filter 20 übertragen kann.
Ein Verfahren zum Konfigurieren eines verlustfreien/supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 wird gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen bereitgestellt. Es kann auf die hier erläuterten 1 bis 9 verwiesen werden. Eine Mehrzahl von Anschlüssen 10 ist vorgesehen. Ein erstes Paar aus der Mehrzahl von Anschlüssen 10 hat mindestens ein abstimmbares Filter 20, das dazwischengeschaltet ist, wobei das abstimmbare Filter 20 so konfiguriert ist, dass es ein Mikrowellensignal 305 überträgt. Ein zweites Paar aus der Mehrzahl von Anschlüssen 10 hat ein anderes abstimmbares Filter 20, das dazwischengeschaltet ist, wobei das andere abstimmbare Filter 20 so konfiguriert ist, dass es das Mikrowellensignal reflektiert.
Zu den technischen Wirkungen und Vorteilen gehört ein verlustfreier/supraleitender Mikrowellenschalter/Router. Zu den technischen Vorteilen gehören ferner eine geringe Dämpfung übertragener Signale <0,05 dB (Dezibel), schnelles Schalten (keine Resonatoren) beispielsweise in Nanosekunden (abhängig von der gegenseitigen Induktivität zwischen den Magnetfluss-Erzeugungsleitungen und den SQUIDs) und eine relativ große Bandbreite (BW) > 280 Megahertz (MHz) (die durch Ermöglichen bestimmter Variationen in den Elementarzellen erheblich verbessert werden kann). Zu den technischen Vorteilen gehört außerdem ein relativ großes Ein/Aus-Verhältnis > 20 dB. Der verlustfreie/supraleitende Mikrowellenschalter/Router kann relativ große Leistungen von > -80 dBm tolerieren (wobei 0 dBm 1 Milliwatt entspricht), indem weitere SQUIDs hinzugefügt werden und sein kritischer Strom erhöht wird. Der verlustfreie/supraleitende Mikrowellenschalter/Router kann mit Nb-Josephson-Übergängen hergestellt werden, damit er bei 4 K betrieben werden kann, kann für jeden Frequenzbereich ausgelegt werden und stellt ein skalierbares Schema bereit, das leicht auf 1 Eingang/N Ausgänge (oder umgekehrt) erweitert werden kann.
Nun zu Mikrowellensignal-Kombinierern und Mikrowellensignal-Verteilern, wobei Mikrowellensignal-Kombinierer verwendet werden, um Quantensignale im Mikrowellenbereich zu kombinieren, was Impedanz-Fehlanpassungen zwischen den Anschlüssen (wodurch Reflexionen bewirkt werden), schlechte Isolation zwischen (bestimmten) Anschlüssen und/oder den Verlust von Quanteninformationen aufgrund von Dämpfung des Quantensignals zur Folge hat. Der Verlust von Quanteninformationen kann entweder auf einen internen Verlust des Leistungskombinierers oder auf ein Leck an anderen Anschlüssen zurückzuführen sein. Dieser Verlust von Quanteninformation kann eine erhebliche Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses der Messung zur Folge haben.
Des Weiteren ist es in einer skalierbaren Quantenprozessor-Architektur wichtig, die auf supraleitenden Qubits beruht, die Anzahl der Eingangs- und Ausgangsleitungen zu minimieren, die in einen Mischkryostaten gehen. Eine Möglichkeit, dies auf der Ausgangsseite zu erreichen, besteht beispielsweise darin, mehrere Auslesesignale von mehreren Qubits auf derselben Ausgangsleitung unter Verwendung von Hybriden oder kommerziellen Leistungskombinierern zu verknüpfen. Anschließend kann ein quantenlimitierter Breitbandverstärker genutzt werden, um die mehreren Auslesesignale zu verstärken, bevor sie sich in der Ausgangskette ausbreiten. Ein Verwenden solcher Hybride oder Leistungskombinierern dämpft jedoch die Quantensignale vor dem Verstärker und führt zu einem erheblichen Verlust von Quanteninformation, wodurch die Effizienz der Quantenmessung eingeschränkt wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Leistungskombinierer nach den mehreren quantenlimitierten Verstärkern hinzuzufügen, die jedes einzelne Signal verstärken. Der Nachteil dieses Schemas ist jedoch das Hinzufügen von umfangreicher Hardware (mehrere Verstärker) zu dem Mischkryostaten, was die Skalierbarkeit eines solchen Schemas begrenzt. Bei einem Lösungskühler handelt es sich um eine kryogene Einheit, die eine kontinuierliche Kühlung auf niedrige Temperaturen von etwa 7 mK ohne bewegliche Teile im Niedertemperaturbereich ermöglicht.
Es folgen einige Beispiele von Leistungskombinierern oder -teilern.
Das Folgende sind Eigenschaften eines Leistungskombinierers mit T-Übergang: 1) 3-Anschluss-Einheit mit einem Eingangsanschluss und zwei Ausgangsanschlüssen, 2) verlustfrei, 3) reziprok, 4) keine Trennung zwischen den Ausgangsanschlüssen und 5) lediglich an den Eingang angepasst.
Zu Eigenschaften eines Widerstandsteilers gehören die Folgenden: 1) 3-Anschluss-Einheit, 2) reziprok, 3) kann an alle Anschlüsse angepasst werden (keine Reflexion), 4) verlustbehaftet und 5) keine Trennung zwischen den Ausgangsanschlüssen.
Zu Eigenschaften von Hybriden (90°- und 180°-Hybride) gehören die Folgenden: 1) 4-Anschluss-Einheiten mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen, 2) reziprok, 3) können an alle Anschlüsse angepasst werden (keine Reflexion), 4) gute Trennung zwischen den beiden Eingangsanschlüssen und zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen. Wenn die Hybride als Leistungskombinierer verwendet werden, wird die Leistung gleichmäßig zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen aufgeteilt, sodass die Hälfte der Informationen verloren geht.
Das Folgende sind Eigenschaften eines Wilkinson - Leistungsteilers/Kombinierers: 1) 3-Anschluss-Einheit mit einem Eingang und zwei Ausgangsanschlüssen (kann auf N-Wege-Einheit verallgemeinert werden), 2) an allen Anschlüssen angepasst (keine Reflexion), 3) Trennung zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen, 4) verlustbehaftet beim Verknüpfen von Signalen, die an den Ausgangsanschlüssen eingegeben werden, da nur die Hälfte der Signalleistung am Eingang angezeigt wird, während die andere Hälfte verloren geht.
Eine oder mehrere Ausführungsformen befassen sich mit Problemen oder Fragen des Multiplexens beim Ansteuern und Auslesen von Mehr-Qubit-Resonatorsystemen unter Verwendung einer kleinen Anzahl von Eingangs- und Ausgangsleitungen (wodurch eine Skalierbarkeit bereitgestellt wird), ohne einen Verlust von Quanteninformation zu bewirkten (verlustfrei) und ohne eine Leckage von Signalen zwischen verschiedenen Qubit-Resonatorsystemen zuzulassen (Trennung zwischen Eingangsanschlüssen und/oder Trennung zwischen Ausgangsanschlüssen). Ausführungsformen enthalten ein oder mehrere Verfahren und Einheiten, die die Mikrowellensignale (Ansteuersignale und Auslesesignale) auf der Grundlage ihrer Frequenz trennen, wodurch die Verfahren und Einheiten das Auslesen und Ansteuern mehrerer Qubits multiplexen können, ohne die beim Ansteuern/Auslesen verwendeten Mikrowellensignale zu dämpfen. Außerdem sind die Einheiten mit einer Trennung zwischen den verschiedenen Anschlüssen ausgestattet.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann es sich bei der Einheit um einen supraleitenden On-chip-Mikrowellen-Kombinierer und/oder -Verteiler mit mehreren Anschlüssen für die Quantensignale handeln. Der Mikrowellenkombinierer und der Verteiler sind verlustfrei, und ihre Anschlüsse sind an die Eingabe/Ausgabe-Umgebung angepasst. Der supraleitende Mikrowellenkombinierer und/oder -verteiler kann in skalierbaren Quantenverarbeitungsarchitekturen verwendet werden, wie zum Beispiel für Qubit-Ansteuern und -Auslesen.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist ein Mikrowellen-Kombinierer und - Verteiler in derselben Einheit konfiguriert. Die Richtung der Eingangssignale legt fest, ob die Einheit als Mikrowellen-Kombinierer oder -Verteiler betrieben wird.
10 ist eine schematische Darstellung einer Einheit, die einen Mikrowellen-Kombinierer für Quantensignale gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt. Die Einheit 1000 ist so konfiguriert, dass sie Frequenz-Multiplexen nutzt, um unterschiedliche Frequenzen für verschiedene Mikrowellensignale auf einer einzigen Ausgangs-Übertragungsleitung zuzuordnen.
Die Einheit 1000 enthält Bandpass-Mikrowellenfilter, die allgemein als Bandpassfilter 105 bezeichnet werden. Die verschiedenen Bandpassfilter 105 sind als Bandpassfilter 105_1 bis Bandpassfilter 105_N dargestellt. Jedes Bandpassfilter 105 hat einen unterschiedlich schmalen Durchlassbereich, durch den Mikrowellensignale mit einer Frequenz in dem bestimmten engen Durchlassbereich übertragen werden (d.h. durchgelassen werden), und Signale mit einer Frequenz außerhalb des bestimmten engen Durchlassbereichs reflektiert (d.h. gesperrt) werden. Das Bandpassfilter 105_1 hat sein eigenes schmales Durchlassband mit einer Bandbreite 1 (BW₁), das Bandpassfilter 105_2 hat sein eigenes schmales Durchlassband mit einer Bandbreite 2 (BW₂) und das Bandpassfilter 105_N hat sein eigenes schmales Durchlassband mit einer Bandbreite N (BW_N).
Zum Beispiel ist das Bandpassfilter 105_1 mit einem Durchlassbereich (Frequenzband) konfiguriert, der ermöglicht, dass ein Mikrowellensignal 305_1 mit der Frequenz f₁ durchgelassen wird (übertragen), aber alle anderen Mikrowellensignale 305_2 bis 305_N mit Frequenzen f₂ bis f_N, die außerhalb des Durchlassbereichs für das Bandpassfilter 105_1 liegen, gesperrt (reflektiert) werden. In ähnlicher Weise ist das Bandpassfilter 105_2 mit einem Durchlassbereich (Frequenzband) konfiguriert, der ermöglicht, dass ein Mikrowellensignal 305_2 mit der Frequenz f₂ durchgelassen wird (übertragen), aber alle anderen Mikrowellensignale 305_1, 305_3 bis 305_N mit Frequenzen f₁, f₃ bis f_N, die außerhalb des Durchlassbereichs für das Bandpassfilter 105_2 liegen, gesperrt (reflektiert) werden. Analog dazu ist das Bandpassfilter 105_N mit einem Durchlassbereich (Frequenzband) konfiguriert, der ermöglicht, dass ein Mikrowellensignal 305_N mit der Frequenz f_N durchgelassen wird (übertragen), aber alle anderen Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N-1 mit den Frequenzen f₁ bis f_N-1, die außerhalb des Durchlassbereichs für das Bandpassfilter 105_N liegen, gesperrt (reflektiert) werden. Die Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N werden allgemein als Mikrowellensignale 305 bezeichnet. Wenn Hohlraum-Qubit-Quantensysteme mit der Einheit 1000 funktionsfähig verbunden sind, können die Mikrowellensignale 305 bei den jeweiligen Frequenzen f₁ bis f_N vorgesehen werden, um bestimmte Qubits anzusteuern, oder für ein Auslesen von Qubits (über Auslese-Resonatoren oder Hohlräume) bestimmt sein, wie es vom Fachmann verstanden wird.
Beispielsweise kann ein Bandpassfilter 105 ein Durchlassband von 1 Megahertz (MHz) haben kann, ein anderes Bandpassfilter 105 kann ein Durchlassband von 10 MHz haben, ein nochmals weiteres Bandpassfilter 105 kann ein Durchlassband von 100 MHz haben, usw.
Die Einheit 1000 enthält Anschlüsse 10, die einzeln mit den jeweiligen Bandpassfiltern 105 verbunden sind. Insbesondere werden die verschiedenen Anschlüsse 10 als Anschluss 1, Anschluss 2 bis Anschluss N bezeichnet, wobei der Anschluss N den letzten der Anschlüsse 10 darstellt. In ähnlicher Weise repräsentiert N die/das letzte der Frequenzen, der Mikrowellensignale 305, der Bandpassfilter 105 der Quantensysteme 3050 (in 12 unten erläutert) und so weiter. In der Einheit 1000 ist der Anschluss 1 mit dem Bandpassfilter 105_1 verbunden, der Anschluss 2 ist mit dem Bandpassfilter 105_2 verbunden, und der Anschluss N ist mit dem Bandpassfilter 105_N verbunden. Jeder Anschluss_1 bis Anschluss_N ist durch ein Bandpassfilter 105_N mit einem Ende seines eigenen Bandpassfilters 105_1 verbunden. Das andere Ende des Bandpassfilters 105_1 ist durch das Bandpassfilter 105_N ist über einen gemeinsamen Knoten 115 mit einem gemeinsamen Anschluss 120 verbunden. Der gemeinsame Knoten 115 kann ein gemeinsamer Verbindungspunkt, eine gemeinsame Übertragungsleitung, eine gemeinsame Leitung usw. als eine wechselseitige Stelle für die elektrische Verbindung sein. Der gemeinsame Anschluss 120 ist durch das Bandpassfilter 105_N mit jedem Bandpassfilter 105_1 verbunden, während die einzelnen Anschlüsse 10 (Anschlüsse 1 bis N) durch ein Bandpassfilter 105_N (lediglich) mit ihrem jeweiligen Bandpassfilter 105_1 verbunden sind.
Da die Bandpassfilter 105_1 bis 105_N lediglich entsprechende Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N im jeweiligen Durchlassbereich übertragen, ist die Einheit 1000 so konfiguriert, dass jedes Bandpassfilter 105_1 durch das Bandpassfilter 105_N ein anderes Frequenzband (oder Teilband) von Frequenzen abdeckt, so dass kein Durchlassband (der Bandpassfilter 105) überlappt. Dementsprechend sind alle Anschlüsse 1, 2 bis N untereinander isoliert, da sie mit ihrem jeweiligen Bandpassfilter 105_1 bis 105_N verbunden sind, so dass kein Mikrowellensignal 305 (ein- oder austretend) durch irgendeinen Anschluss 10 über den gemeinsamen Knoten 115 in einen anderen Anschluss 10 leckt. Daher ist jeder Anschluss 10 von anderen Anschlüssen 10 isoliert und ist so ausgelegt, dass er sein eigenes Mikrowellensignal 305 mit einer vordefinierten Frequenz (oder innerhalb eines vordefinierten Frequenzbandes) überträgt als Ergebnis dessen, dass er mit seinem eigenen Bandpassfilter 105 verbunden ist. Daher sind die Bandpassfilter 105_1 bis 105_N dafür zuständig, die Isolierung zwischen den Anschlüssen 10 (z.B. Anschluss 1, Anschluss 2 bis Anschluss N) bereitzustellen.
Die jeweiligen Anschlüsse 10, die Bandpassfilter 105, der gemeinsame Knoten 115 und der gemeinsame Anschluss 120 sind miteinander über Übertragungsleitungen 30 verbunden. Bei der Übertragungsleitung 30 kann es sich um eine Streifenleitung, Mikrostrip-Leitung usw. handeln. Die Mikrowellen-Bandpassfilter 105 sind unter Verwendung von verlustfreien oder verlustarmen konzentrierten Elementen wie supraleitenden Spulen, supraleitenden Spaltkondensatoren und/oder Plattenkondensatoren, passiven supraleitenden Elementen ausgelegt und implementiert. Zu den supraleitenden Elementen gehören Spulen mit konzentrierten Elementen, Spaltkondensatoren und/oder Plattenkondensatoren (mit verlustarmen Dielektrika). Zu anderen möglichen Implementierungen der Bandpassfilter gehören Filtern mit gekoppelten Leitungen und/oder kapazitiv gekoppelte Serienresonatoren.
Die jeweiligen Anschlüsse 10, Bandpassfilter 105, der gemeinsame Knoten 115, der gemeinsame Anschluss 120 und die Übertragungsleitungen 30 sind aus supraleitenden Werkstoffen hergestellt. Zu Beispielen von supraleitenden Werkstoffen (bei niedrigen Temperaturen beispielsweise 10 bis 100 mK oder etwa 4 K) gehören Niob, Aluminium, Tantal usw.
In einer Ausführung der Einheit 1000 als Mikrowellen-Kombinierer kann ein Koaxialkabel mit den äußeren Enden der 10 Anschlüsse und 120 verbunden sein, so dass Koaxialkabel mit Anschlüssen 10 verbunden sind, an denen Mikrowellensignale durch 305_1 bis 305_N bei unterschiedlichen Frequenzen f₁ bis f_N eingegeben werden, während ein anderes Koaxialkabel, das mit dem gemeinsamen Anschluss 120 verbunden ist, die verknüpften Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N ausgibt. In dem Mikrowellen-Kombinierer wird von allen Mikrowellensignalen 305_1 bis 305_N bei ihren jeweiligen Frequenzen f₁ bis f_N keines der Mikrowellensignale 305 über einen der anderen (Eingangs-) Anschlüsse 10 zurückgesendet (d.h. Anschlusstrennung), stattdessen durchläuft jedoch jedes Mikrowellensignal 305_1 bis 305_N sein jeweiliges Bandpassfilter 105_1 bis 105_N, durchläuft den gemeinsamen Knoten und tritt über den gemeinsamen Anschluss 120 aus. Daher verknüpft der Mikrowellen-Kombinierer die Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N und gibt sie über den gemeinsamen Anschluss 120 aus. Die Einheit 1000 ist mit der Frequenzbeziehung f₁ < f₂ <... < f_N konfiguriert, wobei es sich bei jeder Frequenz f₁, f₂, ... f_N um die Mittenfrequenz der Bandpassfilter 105_1 bis 105_N handelt. Die Einheit 1000 ist so konfiguriert, dass sie die folgende Ungleichung erfüllt $\frac{B W_{j} + B W_{i}}{2} < | f_{j} - f_{i} |$
wobei i,j = 1, 2, ... N und j ≠ i. Diese Ungleichung erfordert, dass der Frequenzabstand zwischen den Mittenfrequenzen jedes Paars von Bandpassfiltern ihre durchschnittlichen Bandbreiten überschreitet. Mit anderen Worten, die Ungleichung stellt sicher, dass keine Bandpassfilter sich überlappende Bandbreiten (d.h. Frequenzbereich) haben.
Jeder Anschluss 1 bis Anschluss N mit seiner entsprechenden Übertragungsleitung 30 (und dem jeweiligen Bandpassfilter 105_1 bis 105_N) wird als unterschiedlicher/separater Kanal/Eingang betrachtet, und bei dem gemeinsamen Anschluss 120 handelt es sich um einen gemeinsamen Kanal. Dementsprechend sind beim Betreiben als Leistungskombinierer mehrere Eingangskanäle der Anschlüsse 1 bis N mit dem (einzigen) gemeinsamen Kanal des gemeinsamen Anschlusses 120 verbunden. Die Einheit 1000 ist so konfiguriert, dass sie bidirektional ist. Wie hier erwähnt, kann dieselbe Einheit 1000 sowohl als Mikrowellen-Leistungskombinierer als auch als Mikrowellen-Signalverteiler genutzt werden.
11 ist eine schematische Darstellung der Einheit 1000, die einen Mikrowellenverteiler für Quantensignale gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt. Die Mikrowellenverteilereinheit 1000 ist so konfiguriert, dass sie die am gemeinsamen Anschluss 120 eingegebenen Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N auf die einzelnen Anschlüsse 1 bis N verteilt, in denen die Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N entsprechend dem Durchlassbereich des jeweiligen Bandpassfilters 105_1 bis 105_N gerichtet/verteilt werden.
In einer Ausführung der Einheit 1000 als Mikrowellen-Verteiler, kann ein Koaxialkabel mit den äußeren Enden des gemeinsam Anschlusses 120 so verbunden sein, dass das Koaxialkabel mit dem gemeinsamen Anschluss 120 verbunden ist, an dem die Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N bei verschiedenen Frequenzen f₁ bis f_N eingegeben werden, während andere mit dem Ausgangsanschlüssen 10 verbundene Koaxialkabel die einzelnen Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N ausgeben. In dem Mikrowellenverteiler dürfen für jedes Mikrowellensignal 305_1 bis 305_N bei seiner jeweiligen Frequenz f₁ bis f_N lediglich einzelne Frequenzen f₁ bis f_N die jeweiligen Bandpassfilter 105_1 bis 105_N durchlaufen, die ein Durchlassband haben, das die entsprechende Frequenz f₁ bis f_N abdeckt, und somit den einzelnen Anschluss 1 zu dem Anschluss N durchleiten. Da jedes der Bandpassfilter 105_1 bis 105_N kein überlappendes Durchlassband hat, hat das Mikrowellensignal 305_1 bis 305_N seine eigene Frequenz f₁ bis f_N, die vordefiniert ist, um lediglich eines der Bandpassfilter 105_1 bis 105_N zu passieren. Die Mikrowellensignale 305 werden bei einer ihrer eigenen Frequenzen f₁ bis f_N durch den gemeinsamen Anschluss 120 eingegeben, und jedes Mikrowellensignal 305_1 bis 305_N passiert den gemeinsamen Knoten 115, wird durch sein jeweiliges Bandpassfilter 105_1 bis 105_N übertragen und tritt durch die einzelnen Anschlüsse 1 bis N gemäß der Frequenz f₁ bis f_N aus. Jeder Anschluss 1 bis N gibt (lediglich) seine eigene jeweilige Frequenz f₁ bis f_N aufgrund der Filterung durch die jeweiligen Bandpassfilter 105_1 bis 105_N aus. Mit anderen Worten, der Anschluss 1 gibt das Mikrowellensignal 305_1 mit der Frequenz f₁ (über das Bandpassfilter 105_1) aus, während das Bandpassfilter 105_1 die Frequenzen f₂ bis f_N sperrt. Der Anschluss 2 gibt das Mikrowellensignal 305_2 mit der Frequenz f₂ (über das Bandpassfilter 105_2) aus, während das Bandpassfilter 105_2 die Frequenzen f₁, f₃ bis f_N sperrt. In ähnlicher Weise gibt der Anschluss N das Mikrowellensignal 305_N mit der Frequenz f_N (über das Bandpassfilter 105_N) aus, während das Bandpassfilter 105_N die Frequenzen f₁ bis f_N-1 sperrt.
In 11 wird jeder Anschluss 1 bis Anschluss N mit seiner jeweiligen Übertragungsleitung 30 (und dem jeweiligen Bandpassfilter 105_1 bis 105_N) als unterschiedlicher/separater Kanal/Ausgang betrachtet, und bei dem gemeinsamen Anschluss 120 handelt es sich um einen gemeinsamen Kanal/Eingang. Dementsprechend sind beim Betreiben als Leistungsverteiler mehrere Ausgangskanäle der Anschlüsse 1 bis N mit dem (einzigen) gemeinsamen (Eingangs-) Kanal des gemeinsamen Anschlusses 120 verbunden.
Wie in den 10 und 11 erkannt werden kann, ist die Einheit 1000 so konfiguriert, dass sie sowohl als Mikrowellensignalverteiler als auch als Kombinierer betrieben werden kann, abhängig davon, ob die Anschlüsse 10 oder 120 die Eingabe der Mikrowellensignale 305 empfangen.
12 ist ein System 300, das die in einer Quantensystemanwendung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen verwendete Einheit 1000 darstellt. 12 ist eine beispielhafte Anwendung der Einheit 1000, die ein frequenzgemultiplextes Auslesen von Qubits darstellt, wobei die Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N mit Frequenzen f₁ bis f_N vorhanden sind, die mit den jeweiligen Resonanzfrequenzen der Hohlräume/Resonatoren 1 bis N übereinstimmen oder nahezu übereinstimmen. Es sei darauf hingewiesen, dass das Beispiel gleichermaßen zum Ansteuern des Qubits angewendet werden kann, indem stattdessen die Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N mit Frequenzen f₁ bis f_N vorhanden sind, die mit den jeweiligen Resonanzfrequenzen der Qubits 1 bis N übereinstimmen oder nahezu übereinstimmen.
In dem System 300 sind Quantensysteme durch 3050_1 bis 3050_N jeweils mit dem (Eingangs-) Anschluss 1 bis Anschluss N verbunden. Die Quantensysteme können allgemein als Quantensysteme 3050 bezeichnet werden. Bei dem Quantensystem 3050_1 kann es sich um einen Hohlraum und ein Qubit 1 handeln, die funktionsmäßig miteinander verbunden sind. Bei dem Quantensystem 3050_2 kann es sich um einen Hohlraum und ein Qubit 2 handeln, die funktionsmäßig miteinander verbunden sind. In ähnlicher Weise kann es sich bei dem Quantensystem 3050_N um einen Hohlraum und ein Qubit N handeln, die funktionsmäßig miteinander verbunden sind. In dem Quantensystem 3050 können der Hohlraum und das Qubit kapazitiv verbunden sein, können in einem zweidimensionalen Hohlraum verbunden sein und/oder können in einem dreidimensionalen Hohlraum verbunden sein, wie es einem Fachmann klar ist. Ein Typ von Qubit ist ein supraleitendes Qubits, das mindestens einen Josephson-Übergang enthält, wobei es sich bei einem Josephson-Übergang um eine nichtlineare, nicht-dissipative Spule ist, die aus zwei supraleitenden Metallen (z.B. Aluminium, Niob, etc.) gebildet ist, die einen dünnen Isolator, wie z.B. Aluminiumoxid, Nioboxid usw. sandwichartig umgibt.
In einer Implementierung kann das System 300 außerdem einen breitbandigen quantenlimitierten Verstärker 350 enthalten, der mit dem gemeinsamen Anschluss 120 (dessen Ausgang) verbunden ist. Der breitbandige quantenlimitierte Verstärker 350 hat eine große Bandbreite, die so gestaltet ist, dass alle Mikrowellensignale 305 verstärkt werden, die jeweilige Frequenzen f₁ bis f_N haben.
Jedes Quantensystem 3050 ist so ausgelegt, dass es bei seiner eigenen Resonanzfrequenz schwingt, die für jedes Quantensystem 3050 verschieden ist. Ein Fachmann erkennt, dass es sich bei dem Hohlraum in jedem Quantensystem 3050 um einen Resonator handelt oder der als solcher betrieben wird, so dass der Hohlraum bei seiner eigenen Resonanzfrequenz schwingt, die üblicherweise als Ausleseresonatorfrequenz bezeichnet wird. Insbesondere ist der Hohlraum in dem Quantensystem 3050_1 so konfiguriert, dass er beispielsweise bei seiner Resonanzfrequenz, die die Frequenz f₁ ist, in Resonanz ist. Der Hohlraum in dem Quantensystem 3050_2 ist so konfiguriert, dass er beispielsweise bei seiner Resonanzfrequenz, die die Frequenz f₁ ist, in Resonanz ist. In ähnlicher Weise ist der Hohlraum in dem Quantensystem 3050_N so konfiguriert, dass er bei seiner Resonanzfrequenz, die die Frequenz f_N ist, in Resonanz ist.
Die Quantensysteme 3050 sind mit der Einheit 1000 über Kondensatoren 325 verbunden, und die Quantensysteme 3050 sind über Kondensatoren 320 mit der äußeren Umgebung verbunden. Zu der äußeren Umgebung können Ausrüstungen zum Erzeugen von Mikrowellensignalen gehören.
Während des frequenzgemultiplexten Auslesens des jeweiligen Qubits in dem Quantensystem 3050_1 in dem System 300 hat das Mikrowellensignal 305_1 die Frequenz f₁, die Resonanzfrequenz für den Hohlraum in dem Quantensystem 3050_1, und das Mikrowellensignal 305_1 hat die Frequenz f₁, um sowohl den Anschluss 1 als auch das Bandpassfilter 105_1 als Ziel festzulegen (da das Bandpassfilter 105_1 so ausgelegt ist, dass es die Frequenz f₁ durchlässt). Während des frequenzgemultiplexten Auslesens des jeweiligen Qubits in dem Quantensystem 3050_2 hat das Mikrowellensignal 305_2 die Frequenz f₂, die Resonanzfrequenz für den Hohlraum in dem Quantensystem 3050_2, und das Mikrowellensignal 305_2 hat die Frequenz f₂, um sowohl den Anschluss 2 als auch das Bandpassfilter 105_2 als Ziel festzulegen (da das Bandpassfilter 105_2 die Frequenz f₂ durchlässt). Während des frequenzgemultiplexten Auslesens des jeweiligen Qubits in dem Quantensystem 3050_N hat das Mikrowellensignal 305_N die Frequenz f_N, die Resonanzfrequenz für den Hohlraum in dem Quantensystem 3050_N, und das Mikrowellensignal 305_N hat die Frequenz f_N, um sowohl den Anschluss N als auch das Bandpassfilter 105_N als Ziel festzulegen (da das Bandpassfilter 105_N so ausgelegt ist, dass es die Frequenz f_N durchlässt). Die Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N mit den jeweiligen Resonanzfrequenzen f₁ bis f_N bewirken, dass die Quantensysteme 3050_1 bis 3050_N jeweils in Resonanz treten, und daher verursachen die Mikrowellensignale 305 (bei den jeweiligen Resonanzfrequenzen) das Auslesen der jeweiligen Qubits, die mit ihrem jeweiligen Hohlraum (Resonator) verbunden sind. Somit wird das Mikrowellensignal 305_1 nach Wechselwirkung mit dem Quantensystem 3050_1 (d.h. dem Qubit-Resonator) über den Anschluss 1 zum Bandpassfilter 105_1, über den gemeinsamen Anschluss 120 und zum breitbandigen quantenlimitierten Verstärker 350 übertragen. Das Mikrowellensignal 305_2 wird nach Wechselwirkung mit dem Quantensystem 3050_2 (d.h. dem Qubit-Resonator) über den Anschluss 2 zum Bandpassfilter 105_2, über den gemeinsamen Anschluss 120 und zum breitbandigen quantenlimitierten Verstärker 350 übertragen. In ähnlicher Weise wird das Mikrowellensignal 305_N nach Wechselwirkung mit dem Quantensystem 3050_N (d.h. dem Qubit-Resonator) über den Anschluss N zum Bandpassfilter 105_N, über den gemeinsamen Anschluss 120 und zum breitbandigen quantenlimitierten Verstärker 350 übertragen. Nach Interagieren mit dem jeweiligen Quantensystem 3050_1 bis 3050_N enthält jedes der Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N Quanteninformation (z.B. den Zustand) der jeweiligen Qubits. Alle Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N werden (gleichzeitig) durch den breitbandigen quantenlimitierten Verstärker 350 verstärkt.
Bei dem Quantensignal handelt es sich um ein Mikrowellensignal. Es versteht sich, dass das Mikrowellensignal 305 in der Einheit 1000 bidirektional übertragen werden kann.
13 veranschaulicht Einheiten 1000 als eine kaskadenartige Baumstruktur von Leistungskombinierern gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 13 ist ein Beispiel für ein Skalieren der Einheiten 1000. Die Bauelemente 1000 sind so konfiguriert, dass sie auf einem Wafer, beispielsweise als Chip, hergestellt werden können. Um in 13 nicht vom Wesentlichen abzulenken, sind einige Einzelheiten der Einheiten 1000 der Klarheit halber weggelassen. Es versteht sich, dass diese Einzelheiten in analoger Weise enthalten sind, wie hierin erläutert.
In diesem Beispiel wird die Baumstruktur von Leistungskombinierern mit 2 Ebenen dargestellt. Bei anderen Implementierungen kann es 3, 4, 5... 10 oder mehr Ebenen in der Baumstruktur der Leistungskombinierer geben. In 13 können sich M Gruppen der Einheiten 1000 in der Ebene 2 befinden, und die M Gruppen der Einheiten 1000 haben jeweils N Eingänge in der Ebene 2. Das Vorhandensein von N Eingängen bedeutet, dass jede Einheit 1000 in der Ebene 2 die entsprechende Anzahl von den N Anschlüssen 10 hat, die jeweils mit ihrem entsprechenden Bandpassfilter 105 verbunden sind. Wie hier erläutert, hat jeder der N Eingänge einen einzelnen Anschluss 10 und ein einzelnes Bandpassfilter 105 auf einer Eins-zu-Eins-Grundlage. In der Ebene 2 haben die Einheiten 1000 Bandpassfilter 105, bei denen jedes der Bandpassfilter 105, wie hier erläutert ein anderes Durchlassband (d.h. ein anderes Frequenzband) hat, so dass es keine Überlappung bei der Frequenzabdeckung gibt.
Jede der Leistungskombinierer-Einheiten 1000_1 bis 1000_M ist so konfiguriert, dass sie auf ihrer jeweiligen Mittelübertragungsleitung 30_1 durch 30_M Mikrowellensignale 305 ausgibt. Die Bezeichnung der Übertragungsleitung 30_1 bis 30_M wird verwendet, um zu zeigen, dass jede der Leistungskombinierer-Einheiten 1000_1 bis 1000_M eine eigene Ausgabe-Übertragungsleitung 30 hat, und dementsprechend ist die Gesamtzahl der Mittenübertragungsleitungen 30 von den Einheiten 1000 in der Ebene 2 gleich M. In der Ebene 1 hat die Einheit 1000_Z eine Anzahl von M Eingängen. Der Ausgang jeder Einheit 1000_1 bis 1000_M ist individuell mit seinem eigenen Eingang aus der Anzahl von M Eingängen der Einheit 1000_Z verbunden, so dass jede der Mittenübertragungsleitungen 30_1 bis 30_M ein Eingang von den M Eingängen der Einheit 1000_Z ist.
Die Einheit 1000_Z ist mit den Einheiten 1000 identisch, die hier erläutert wurden.
Die Einheit 1000_Z ist jedoch so aufgebaut, dass jeder der M Eingänge in der Ebene 1 sein eigenes angeschlossenes Bandpassfilter 105 mit einem Durchlassbereich hat, der alle Durchlassbänder der Bandpassfilter 105 in der unteren Ebene 2 pro Mittenübertragungsleitung 30 abdeckt. In der Ebene 1 der Baumstruktur 400 hat die Einheit 1000_Z beispielsweise einen ersten Eingang (der M Eingänge) mit dem Anschluss 1, so dass ihr Bandpassfilter 105 in der Ebene 1 alle Durchlassbänder der Bandpassfilter in der Einheit 1000_1 in der Ebene 2 enthält. In ähnlicher Weise hat die Einheit 1000_Z in der Ebene 1 der Baumstruktur 400 einen zweiten Eingang (der M Eingänge) mit dem Anschluss 2, so dass ihr Bandpassfilter 105 in der Ebene 1 alle Durchlassbänder der Bandpassfilter in der Einheit 1000_2 (nicht gezeigt) in der Ebene 2 enthält. Bis zum letzten Eingang (der M Eingänge) in der Ebene 1 der Baumstruktur 400 hat die Einheit 1000_Z einen letzten Eingang mit dem Anschluss N, so dass deren Bandpassfilter 105 in Ebene 1 alle Durchlassbänder der Bandpassfilter in der Einheit 1000_M in Ebene 2 enthält.
In der Ebene 1 ist die Einheit 1000_Z so konfiguriert, dass das Mikrowellensignal 305_1 bis 305_Z an den M Eingängen empfangen wird und die Mikrowellensignale 305_1 bis 305_Z verknüpft werden, damit sie auf der Mittelübertragungsleitung 30_Z ausgegeben werden. Dementsprechend wird die Baumstruktur 400 von Leistungseinheiten derart vergrößert (skaliert), dass die Einheit 1000_Z der Ebene 1 M x N Mikrowellensignale 305 ausgibt, die M Gruppen der Einheiten 1000 in der Ebene 2 entsprechen, wobei jede der Einheiten 1000 in der Ebene 2 N Eingänge hat. Die Richtung der Mikrowellensignale 305_1 bis 305_Z zeigt die Baumstruktur 400, die als ein vergrößerter (skalierter) Leistungskombinierer betrieben wird. Analog kann die Richtung der Mikrowellensignale 305_1 bis 305_Z umgeschaltet werden, damit ein Betrieb als vergrößerter (skalierter) Signalverteiler erfolgen kann.
14 ist eine schematische Darstellung der Einheit 1000, die einen Mikrowellenkombinierer für Quantensignale gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt. Die Einheit 1000 enthält sämtliche der zahlreichen Merkmale, die hier erläutert wurden. Ferner enthält die Einheit 1000 zusätzliche Merkmale, um eine Impedanzanpassung für die durchgelassenen Mikrowellensignale sicherzustellen (d.h. Reflexionen entlang des Signalpfads zu minimieren) und außerdem die Verbindung mehrerer Zweige/Leitungen mit dem gemeinsamen Knoten 115 zu ermöglichen.
In 14 sind Impedanzwandler 505_1 bis 505_N jeweils zwischen den jeweiligen Anschlüssen 1 bis N und ihren zugehörigen Bandpassfiltern 105_1 bis 105_N hinzugefügt. Die Einheit 1000 enthält außerdem einen Breitband-Impedanzwandler 510, der mit dem gemeinsamen Knoten 115 und dem gemeinsamen Anschluss 120 verbunden ist. Die Impedanzwandler 505_1 bis 505_N und der Impedanzwandler 510 sind so konfiguriert, dass sie eine Impedanzanpassung bereitstellen. An einem Ende der Einheit 1000 sind die Impedanzwandler 505_1 bis 505_N so aufgebaut, dass sie mit der Eingangsimpedanz Z₀ der Anschlüsse 1 bis N übereinstimmen (oder nahezu übereinstimmen) und an das zugehörige Bandpassfilter 105_1 bis 105_N angepasst sind. Jeder der Impedanzwandler 505_1 bis 505_N ist so konfiguriert, dass er eine charakteristische Impedanz $Z = \sqrt{Z_{0} Z_{H}}$
hat, wobei Z₀ die Eingangsimpedanz (sowie die Ausgangsimpedanz) ist, Z_H die hohe Impedanz der Bandpassfilter 105_1 bis 105_N ist und Z die mittlere Impedanz jedes Impedanzwandlers 505_1 bis 505_N ist. Die mittlere charakteristische Impedanz Z ist die Quadratwurzel aus dem Produkt von Z₀ und Z_H. Ein Grund dafür, warum das Umwandeln der Impedanz Z₀ der Anschlüsse der Einheit in eine hohe charakteristische Impedanz Z_H im Bereich des gemeinsamen Knotens nützlich sein kann, besteht darin, dass im Allgemeinen hochohmige Übertragungsleitungen wie beispielsweise ein Mikrostrip oder eine Streifenleitung schmale Leiterbahnen haben, die wiederum die physikalische Größe des gemeinsamen Knotens minimieren und ermöglichen, dass eine größere Anzahl von Leitungen an diesem Knoten zusammengeführt werden können. Dies ist insbesondere relevant, wenn die Bandpassfilter als gekoppelte Leitungsfilter und/oder kapazitiv gekoppelte Resonatoren implementiert sind. Wenn jedoch alle Filter mit konzentrierten Elementen (mit sehr geringem Platzbedarf) implementiert werden, sind solche Impedanzumsetzungen weniger problematisch.
In einer Implementierung kann es sich bei den Impedanzwandlern 505_1 bis 505_N um impedanzanpassende Übertragungsleitungen handeln, bei denen an einem Ende (zum Beispiel das linke Ende) ein breitbandiges Anpassen der Eingangsimpedanz Z₀ und am entgegengesetzten Ende (z.B. das rechte Ende) ein schmalbandiges Anpassen der hohen Impedanz Z_H der Bandpassfilter 105 erfolgt. Jeder der Impedanzanpassungswandler 505_1 bis 505_N hat eine Länge entsprechend seiner eigenen jeweiligen Beziehung $\frac{λ_{1}}{4}, \frac{λ_{2}}{4}, \dots, \frac{λ_{N}}{4},$
wobei λ₁ die Wellenlänge des Mikrowellensignal 305_1 ist, wobei λ₂ die Wellenlänge des Mikrowellensignals 305_2 ist, bis zu λ_N, wobei es sich dabei um die Wellenlänge des Mikrowellensignals 305_N handelt. Diese Impedanzwandler haben im Allgemeinen schmale Bandbreiten.
In einer Implementierung kann es sich bei dem breitbandigen Impedanzwandler 510 um eine impedanzanpassende Übertragungsleitung handeln, bei der an einem Ende (zum Beispiel das linke Ende) eine schmalbandige Anpassung der hohen Impedanz Z_H der Bandpassfilter 105 (über den gemeinsamen Knoten 115) erfolgt, während an dem gegenüberliegende Ende (z.B. das rechte Ende) eine breitbandige Anpassung an die Ausgangsimpedanz Z₀ erfolgt. Ein derartiger Breitband-Impedanzwandler 510 kann unter Verwendung von sich verjüngenden Übertragungsleitungen implementiert werden, zum Beispiel Übertragungsleitungen, deren Breiten sich abhängig von der maximalen Signalwellenlänge adiabatisch ändern. Andere Implementierungen von sich verjüngenden Leitungen, die dem Fachmann bekannt sind, sind ebenfalls möglich, wie etwa die exponentielle Verjüngung (Exponential Taper) oder die Verjüngung nach Klopfenstein (Klopfenstein Taper). Es sollte außerdem beachtet werden, dass sich die Breitbandanforderung für diesen Impedanzwandler gegenüber den anderen Wandlern 505 aus der Tatsache ergibt, dass dieser Breitbandwandler für ein breites Band von durch ihn übertragenen Signalfrequenzen an die charakteristische Impedanz angepasst werden muss, im Gegensatz zu den Impedanzwandlern 505, bei denen die Impedanz lediglich für einen schmalen Frequenzbereich mittig um die entsprechende Mittenfrequenz des Bandpasses angepasst werden muss.
Die Impedanzwandler 505_1 bis 505_N und der Impedanzwandler 510 sind, wie hier erläutert aus supraleitendem Werkstoff hergestellt wie beispielsweise Niob, Aluminium, Tantal, usw.
Bei der Impedanz-Bezeichnung Z₀ handelt es sich um die charakteristische Impedanz an den Anschlüssen 10 und 120 (die die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse sein können, oder umgekehrt). Beispielsweise kann an jedem Anschluss 10 und 120 die charakteristische Impedanz Z₀ 50 Ohm (Ω) betragen, wie vom Fachmann erkannt wird.
Ein Verfahren zum Konfigurieren einer supraleitenden Mikrowellen-Kombinierereinheit 1000 wird gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen bereitgestellt. Es kann auf die 10 bis 14 verwiesen werden. Ein erstes Filter 105_1 bis zu einem letzten Filter werden bereitgestellt. Das erste Filter 105_1 bis zum letzten Filter 105_N sind jeweils mit einem ersten Eingang bis zu einem letzten Eingang verbunden (z.B. eine Übertragungsleitung 30, die jeweils einzeln mit den jeweiligen Anschlüssen 10 verbunden ist). Das erste Filter 105_1 bis zum letzten Filter 105_N haben jeweils ein erstes Durchlassband bis zu einem letzten Durchlassband (jeweils für die Frequenzen f₁ bis f_N), so dass das erste Durchlassband bis zum letzten Durchlassband jeweils unterschiedlich sind. Ein gemeinsamer Ausgang (z.B. eine mit dem gemeinsamen Anschluss 120 verbundene Übertragungsleitung 30) ist mit dem ersten Eingang bis zu dem letzten Eingang über das erste Filter 105_1 bis zu dem letzten Filter 105_1 verbunden. Der erste Eingang bis zu dem letzten Eingang sind jeweils voneinander getrennt, wodurch ein Signalverlust an dem ersten Eingang bis zu dem letzten Eingang vermieden wird. Das erste Filter bis zu dem letzten Filter sind jeweils so konfiguriert, dass sie Signale (z.B. Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N) mit einem unterschiedlichen Satz von Frequenzen übertragen. Das erste Filter bis zu dem letzten Filter (z.B. die Bandpassfilter 105_1 - 105_N) sind jeweils passiv, wodurch keine Betriebsleistung zum Betreiben als passive Filter und keine Leistungsverstärkung erforderlich sind.
Das erste Filter 105_1 von erstem Filter bis letztem Filter ist so konfiguriert, dass es lediglich die Signale bei einem ersten Satz von Frequenzen durchlässt, das nächste Filter 105_2 von erstem Filter bis letztem Filter ist so konfiguriert, dass es lediglich die Signale bei einem nächsten Satz von Frequenzen durchlässt, und das letzte Filter 105_N von erstem Filter bis letztem Filter ist so konfiguriert, dass es lediglich die Signale bei einem letzten Satz von Frequenzen durchlässt. Der erste Satz, der nächste Satz und auch der letzte Satz von Frequenzen überlappen sich alle jeweils nicht (d.h., die Durchlassbänder überlappen sich nicht).
Der erste Eingang bis zum letzten Eingang enthalten jeweils einen ersten Anschluss (z. B. Anschluss 1) bzw. einen letzten Anschluss (z.B. Anschluss N). Der erste Anschluss 1 bis zu dem letzten Anschluss N sind funktionsfähig mit dem ersten Filter 105_1 bis zu dem letzten Filter 105_N verbunden, so dass erste bis letzte Signale (z.B. Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N bzw. Mikrowellensignale 305_1 bis 305_Z in 13), die jeweils durch den ersten Anschluss bis zu dem letzten Anschluss eingegeben werden, miteinander verknüpft und über einen gemeinsamen Anschluss 120 ausgegeben werden sollen. Ein erster Impedanzwandler 505_1 bis zu einem letzten Impedanzwandler 505_N sind jeweils zwischen den ersten Anschluss 1 bzw. den letzten Anschluss N und erstes Filter 105_1 bzw. letztes Filter 105_N geschaltet. Der erste Impedanzwandler bis zu dem letzten Impedanzwandler sind jeweils so konfiguriert, dass sie eine Impedanzanpassung bereitstellen, wie in 14 erläutert. Ein gemeinsamer Impedanzwandler 510 ist zwischen das erste Filter 105_1 bis zu dem letzten Filter 105_N und den gemeinsamen Anschluss 120 geschaltet, und der gemeinsame Impedanzwandler 510 ist so konfiguriert, dass er eine Impedanzanpassung bereitstellt. Das erste Filter bis zu dem letzten Filter sind jeweils supraleitend, und das erste Filter bis zu dem letzten Filter enthalten jeweils supraleitende Werkstoffe.
Es wird ein Verfahren zum Konfigurieren einer supraleitenden Mikrowellenverteilereinheit 1000 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen bereitgestellt. Es kann auf die 11 bis 14 verwiesen werden. Bei dem supraleitenden Mikrowellenverteiler und dem supraleitenden Mikrowellenkombinierer handelt es sich um dieselben Einheiten. Der Mikrowellenverteiler und der Kombinierer werden jedoch wie beschrieben in entgegengesetzten Richtungen betrieben. Insbesondere werden die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse in Bezug auf eingegebene und ausgegebene Mikrowellensignale 305 in umgekehrter Reihenfolge genutzt. Ein erstes Filter bis zu einem letzten Filter sind vorgesehen. Das erste Filter 105_1 bis zu dem letzten Filter 105_N sind jeweils mit einem ersten Ausgang bis zu einem letzten Ausgang verbunden (z.B. eine Übertragungsleitung 30, die einzeln mit den jeweiligen Anschlüssen 10 verbunden ist). Das erste Filter 105_1 bis zum letzten Filter 105_N haben jeweils einen ersten Durchlassbereich bis zu einem letzten Durchlassbereich (für entsprechende Frequenzen f₁ bis f_N), so dass der erste Durchlassbereich bis zu dem letzten Durchlassbereich jeweils verschieden sind. Ein gemeinsamer Eingang (z.B. die mit dem gemeinsamen Anschluss 120 verbundene Übertragungsleitung 30) ist mit dem ersten Ausgang bis zu dem letzten Ausgang über das erste Filter 105_1 bis zu dem letzten Filter 105_N verbunden.
Der erste Ausgang bis zu dem letzten Ausgang sind jeweils voneinander isoliert, wodurch ein Signalverlust bei dem ersten Ausgang bis zu dem letzten Ausgang vermieden wird. Das erste Filter bis zum letzten Filter sind jeweils so konfiguriert, dass sie Signale (z.B. Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N) mit einem anderen Satz von Frequenzen übertragen. Das erste Filter bis zu dem letzten Filter (z.B. die Bandpassfilter 105_1 bis 105_N) sind jeweils passiv, wodurch keine Betriebsleistung erforderlich ist, um als Passivfilter betrieben zu werden, und keine Leistungsverstärkung erzeugt wird. Das erste Filter 105_1 von dem ersten Filter bis zu dem letzten Filter ist so konfiguriert, dass es lediglich die Signale bei einem ersten Satz von Frequenzen durchlässt, das nächste Filter 105_2 von dem ersten Filter bis zu dem letzten Filter ist so konfiguriert, dass es lediglich die Signale bei einem nächsten Satz von Frequenzen durchlässt, und das letzte Filter 105_N von dem ersten Filter bis zu dem letzten Filter ist so konfiguriert, dass es lediglich die Signale bei einem letzten Satz von Frequenzen durchlässt. Sowohl der erste Satz, der nächste Satz als auch der letzte Satz von Frequenzen überlappen sich nicht (d.h., die Durchlassbereiche überlappen sich nicht). Der erste Ausgang bis zu dem letzten Ausgang enthalten jeweils einen ersten Anschluss (z.B. Anschluss 1) bis zu einem letzten Anschluss (z.B. Anschluss N). Der erste Anschluss 1 bis zu dem letzten Anschluss N sind jeweils funktionsfähig mit dem ersten Filter 105_1 bis zu dem letzten Filter 105_N verbunden, so dass ein erstes bis zu einem letzten Signal (z.B. Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N bzw. Mikrowellensignale 305_1 bis 305_Z in 13) jeweils über den ersten Anschluss bis zu dem letzten Anschluss ausgegeben werden. Die ersten bis letzten Signale (z.B. Mikrowellensignale 305_1 bis 305_N oder Mikrowellensignale 305_1 bis 305_Z in 13) werden zusammen bei unterschiedlichen Frequenzen über einen gemeinsamen Anschluss 120 eingegeben. Ein erster Impedanzwandler 505_1 bis zu einem letzten Impedanzwandler 505_N sind jeweils zwischen den ersten Anschluss 1 bis zu dem letzten Anschluss N und das erste Filter 105_1 bis zu dem letzten Filter 105_N geschaltet. Der erste Impedanzwandler bis zu dem letzten Impedanzwandler sind jeweils so konfiguriert, dass sie eine Impedanzanpassung bereitstellen wie in 14 erläutert. Ein gemeinsamer Impedanzwandler 510 ist zwischen das erste Filter 105_1 bis zu dem letzten Filter 105_N und den gemeinsamen Anschluss 120 geschaltet, und der gemeinsame Impedanzwandler 510 ist so konfiguriert, dass er eine Breitband-Impedanzanpassung bereitstellt. Das erste Filter bis zu dem letzten Filter sind jeweils supraleitend, und das erste Filter bis zu dem letzten Filter enthalten jeweils supraleitende Werkstoffe.
Eine oder mehr Ausführungsform enthalten ein supraleitendes System 300. Ein erstes Filter 105_1 bis zu dem letzten Filter 105_N sind so konfiguriert, dass sie jeweils mit dem ersten Quantensystem 3050_1 bis zu dem letzten Quantensystem 3050_N verbunden sind. Das erste Filter bis zu dem letzten Filter haben jeweils einen ersten Durchlassbereich bis zu einem letzten Durchlassbereich (die jeweils die Frequenzen f₁ bis f_N enthalten), so dass der erste Durchlassbereich bis zu dem letzten Durchlassbereich jeweils verschieden sind. Ein gemeinsamer Ausgang (z.B. die mit dem gemeinsamen Anschluss 120 verbundene Übertragungsleitung 30) ist mit dem ersten Quantensystem 3050_1 bis zu dem letzten Quantensystem 3050_N über das erste Filter 105_1 bis zu dem letzten Filter 105_N verbunden.
Das erste Quantensystem 3050_1 bis zu dem letzten Quantensystem 3050_N sind jeweils so konfiguriert, dass sie bei einer ersten Resonanzfrequenz (beispielsweise die Frequenz f₁) bis zu einer letzten Resonanzfrequenz (f_N) schwingen. Das erste Filter bis zu dem letzten Filter sind so konfiguriert, dass sie jeweils in der Betriebsart Transmission (Durchleiten/Übertragen des Signals) für die erste Resonanzfrequenz bis zur letzten Resonanzfrequenz betrieben werden, so dass jedem von dem ersten Filter bis zu dem letzten Filter (lediglich) eine von der ersten Resonanzfrequenz f₁ bis zur letzten Resonanzfrequenz f_N zugeordnet ist. Das erste Filter bis zu dem letzten Filter sind jeweils so konfiguriert, dass sie für alle anderen Resonanzfrequenzen von der ersten Resonanzfrequenz bis zur letzten Resonanzfrequenz mit Ausnahme der zugehörigen Resonanzfrequenz von der ersten Resonanzfrequenz bis zu der letzten Resonanzfrequenz in der Betriebsart Reflexion betrieben werden (d.h. sperren). Mit anderen Worten, die Frequenzen f₁ bis f_N werden so gewählt, dass sie mit der eigenen Resonanzfrequenz der Quantensysteme 3050_1 bis 3050_N auf einer Eins-zu-Eins-Grundlage übereinstimmen/sich mit dieser überlappen.
Zu technischen Wirkungen und Vorteilen gehören Techniken und Einheiten, die die Mikrowellensignale auf der Grundlage ihrer Frequenz trennen, wodurch es der Einheit ermöglicht wird, das Auslesen und Ansteuern mehrerer Qubits zu multiplexen, ohne die beim Ansteuern und/oder Auslesen verwendeten Mikrowellensignale zu dämpfen. Zu technischen Vorteilen gehören ferner die Trennung zwischen den verschiedenen Anschlüssen in einem Leistungskombinierer und Signalverteiler.
Unter Verwendung von hier erläuterten Einheiten 100 und 1000 werden in einer oder mehreren Ausführungsformen Verfahren und Systeme bereitgestellt, um die Anzahl der Eingangs- und Ausgangsleitungen zu minimieren, die für Initialisieren, Berechnen (oder Manipulieren) und Auslesen einer großen Anzahl von supraleitenden Qubits erforderlich sind.
In vielen Experimenten mit supraleitenden Qubits werden nach dem Stand der Technik zumindest zwei Mikrowellen-Leitungen pro Qubit in einer Kühllösung benötigt, um zu initialisieren, zu berechnen (oder zu manipulieren), und diese Qubits (d.h. mit den Eingabe- und Ausgabezeilen) zu messen. Aufgrund des begrenzten Platzes in einer Kühllösung und der begrenzten Kühlleistung der Kühllösung ist eine solche Zuordnung von Leitungen jedoch nicht auf große Quantenprozessoren mit mehr als 50 Qubits skalierbar.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen sind jedoch in einer Implementierung die Eingabe- und Ausgabetechniken bei einer minimalen Anzahl von Eingabe- und Ausgabeleitungen auf mehr als 500 Qubits skalierbar.
Die 15, 16, 17 und 18 veranschaulichen verschiedene Systeme zum Ansteuern von Qubits und zum Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 15 ist ein System 1500 zum Qubit-Ansteuern und zum Qubit-Auslesen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das System 1500 veranschaulicht das Betreiben in der Betriebsart Reflexion, bei der beim Auslesen der Qubits und für die Qubit-Impulse die gleichen Eingabe- und Ausgabeleitungen (E/A-Leitungen) (d.h. Übertragungsleitungen) verwendet werden.
Das System 1500 enthält eine Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520. Es gibt einzelne Qubits 1550_1 bis 1550_N (allgemein als Qubits 1550 bezeichnet) und Auslese-Resonatoren 1555_1 bis 1555_N (Auslese-Resonatoren 1555). In der Anordnung der Resonator-Qubit-Systeme 1520 besteht eine Eins-zu-Eins-Beziehung eines Qubits 1550 zu seinem eigenen Ausleseresonator 1555, so dass der Zustand des bestimmten Qubits 1550 durch Lesen seines Ausleseresonators 1555 gelesen/abgeleitet werden kann. Dementsprechend enthält die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 eine Anordnung aus einzeln adressierbaren Qubits 1550_1 bis 1550_N, die mit ihren jeweiligen (einzeln adressierbaren) Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N verbunden sind, wie es einem Fachmann bekannt ist. Jeder Ausleseresonator 1555 in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 ist so ausgelegt, dass er bei seiner eigenen AusleseResonanzfrequenz schwingt, die für jeden Ausleseresonator 1555_1 bis 1555_N unterschiedlich im Voraus definiert ist. In ähnlicher Weise kann jedes einzelne Qubit 1550_1 bis 1550_N so ausgelegt sein, dass es seine eigene Qubit-Frequenz (zum Ansteuern des Qubits) hat, die im Voraus definiert ist, damit sie in einer Implementierung für jedes Qubit 1550_1 bis 1550_N unterschiedlich ist. In einer anderen Implementierung müssen die Qubit-Frequenzen nicht unterschiedlich sein, und einige davon können sich unterscheiden und einige können gleich sein. Der Fachmann erkennt, dass ein Hohlraum als Ausleseresonator fungieren kann, so dass der Hohlraum bei seiner eigenen Ausleseresonanzfrequenz schwingt. Beispielsweise kann es sich bei den Resonator-Qubit-Systemen 1520 um eine Anordnung von Hohlraum-Qubit-Systemen 3050_1 bis 3050_N handeln, die in 12 erläutert werden.
Die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 ist mit einem supraleitenden Mikrowellen-Schalter/Router 100 verbunden, der mit 100_1 bezeichnet wird, da in 15 mehr als ein supraleitender Mikrowellen-Schalter/Router veranschaulicht ist. Der supraleitende Mikrowellenschalter/Router 100_1 ist ein 1-N-Quantenschalter/Router, der mit der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 verbunden ist. Wie hier erläutert, ist der supraleitende MikrowellenSchalter/Router 100_1 bidirektional. Der supraleitende Mikrowellen-Schalter/Router 100_1 ist mit Anschlüssen konfiguriert, die mit den Anschlüssen der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 über Übertragungsleitungen 30 verbunden sind. Jeder Anschluss der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 ist einzeln adressierbar und/oder mit einem einzelnen Resonator-Qubit-System verbunden, so dass mit jedem einzelnen Resonator-Qubit-System Daten ausgetauscht werden können. Beispielsweise ist ein Resonator-Qubit-System das Qubit 1550_1, das mit seinem Ausleseresonator 1555_1 verbunden ist. Ein anderes Resonator-Qubit-System ist das Qubit 1550_2, das mit seinem Ausleseresonator 1555_2 verbunden ist, bis zu dem letzten Resonator-Qubit-System, das ein Qubit 1550_N enthält, das mit seinem Ausleseresonator 1555_N verbunden ist.
In diesem Beispiel hat der supraleitende Mikrowellen-Schalter/Router 100_1 eine passende Anzahl von Anschlüssen, die mit Anschlüssen der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 verbunden sind, und N Anschlüsse des supraleitenden Mikrowellen-Schalters/Routers 100_1 sind mit N Anschlüssen der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 über Übertragungsleitungen 30_1 bis 30_N verbunden. Der erste Anschluss des supraleitenden Mikrowellen-Schalters/Routers 100_1 und die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 sind über die Übertragungsleitung 30_1 verbunden, während der letzte Anschluss des supraleitenden Mikrowellen-Schalters/Routers 100_1 und die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 über die Übertragungsleitung 30_N verbunden sind.
Das System 1500 enthält einen verlustarmen Breitband-Zirkulator 1505, der an einem Ende mit einem einzelnen Anschluss des supraleitenden 1-N-Mikrowellen-Schalters/Routers 100_1 verbunden ist. Der supraleitende MikrowellenSchalter/Router 100_1 hat einen Anschluss an einem Ende und N Anschlüsse am anderen Ende, wobei jedes Ende als Eingang und Ausgang fungieren kann. Der eine Anschluss ist so konfiguriert, dass er ein Signal über zugeordnete abstimmbare Filter 20 an die 1 bis N Anschlüsse leitet, wie hier in den 1 bis 9 erläutert. Jedem der N Anschlüsse des supraleitenden 1-N-Mikrowellen-Schalters/Routers 100_1 ist ein abstimmbares Filter 20 bei einer Gesamtzahl von N abstimmbaren Filtern 20 zugeordnet, d.h. ein Filter pro Übertragungsleitung 30_1 bis 30_N. Der verlustarme Breitband-Zirkulator 1505 ist mit dem einen Anschluss des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100_1 verbunden, während die Anschlüsse 1 bis N des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100_1 mit dem anderen Ende der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen verbunden sind. Der verlustarme Breitband-Zirkulator 1505 kann aus supraleitenden Werkstoffen hergestellt sein. Der verlustarme Breitband-Zirkulator 1505 ist breitbandig, weil er so aufgebaut ist, dass er die in jedem der abstimmbaren Filter 20 abgedeckten Frequenzen in den Anschlüssen 1 bis N des supraleitenden Mikrowellen-Schalters/Routers 100_1 abdeckt/leitet.
In 15 enthält das System 1500 einen weiteren supraleitenden Mikrowellenschalter/Router 100, der als supraleitender 1-2-Mikrowellenschalter/Router 100_2 (Quantenschalter) bezeichnet wird, da der supraleitende Mikrowellenschalter/Router 100_2 einen Anschluss hat, der über 2 abstimmbare Filter 20 wie hier erörtert mit 2 anderen Anschlüssen verbunden ist/verbunden werden kann. Der verlustarme Breitband-Zirkulator 1505 ist mit dem einen Anschluss des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100_2 verbunden, während die anderen beiden Anschlüsse des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100_2 einzeln mit einer Kaltlast/Dump 1510 und einem quantenlimitierten Breitband-Richtungsverstärker 350 verbunden sind. Der quantenlimitierte Breitband-Richtungsverstärker 350 verstärkt das reflektierte Auslesesignal, das die Quanteninformation des jeweiligen Qubits in der Anordnung der Resonator-Qubit-Systeme 1520 enthält. Bei einer Kaltlast/Dump 1510 kann es sich um eine 50-Ohm(Ω)- Umgebung handeln, in der die ausgehenden Qubit-Treiber/Impulse angelegt werden, und bei den Qubit-Impulsen handelt es sich um die Qubit-Treiberimpulse, die zum Ansteuern des gewünschten Qubits in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen verwendet werden. Die supraleitenden Mikrowellenschalter/Router 100_1 und 100_2 repräsentieren zwei getrennte supraleitende Mikrowellenschalter/Router im System 1500, und ihre Einzelheiten können in dem in den 1 bis 14 erläuterten supraleitenden Mikrowellenschalter/Router 100 gefunden werden.
Nun wird ein Beispiel von Qubit-Impulsen zum Ansteuern der Qubits erläutert, bei dem die Qubits mit zeitgemultiplexten Mikrowellensignalen angesteuert werden wie beispielsweise die oben erläuterten Mikrowellensignale 305. Die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 enthält ein Qubit 1550_1 bis zu einem Qubit 1550_N, die einzeln mit ihrem eigenen Ausleseresonator 1555_1 bis 1555_N verbunden sind, wobei das Qubit 1550_1 mit seinem Ausleseresonator 1555_1 (z.B. kapazitiv oder induktiv) verbunden ist, das Qubit 1550_2 ist mit seinem Ausleseresonator 1555_2 verbunden, bis zu einem Qubit 1550_N, das mit seinem Ausleseresonator 1555_N verbunden ist. Die Übertragungsleitung 30_1 ist mit dem Qubit 1550_1 und dem Ausleseresonator 1555_1 in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 verbunden. Die Übertragungsleitung 30_2 ist mit dem Qubit 1550_2 und dem Auslese-Resonator 1555_2 in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 verbunden. In ähnlicher Weise ist die Übertragungsleitung 30_N mit dem Qubit 1550_N und dem Ausleseresonator 1555_N in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 verbunden.
In einer Implementierung, in der jedes Qubit 1550_1 bis 1550_N seine eigene Qubit-Frequenz haben kann (d.h., jede Qubit-Frequenz ist unterschiedlich), kann jedes Qubit 1550_1 bis 1550_N einzeln angesteuert werden. In einer weiteren Implementierung können einige der Qubit-Frequenzen dieselben sein, und bei anderen trifft das nicht zu, und jedes Qubit 1550_1 bis 1550_N kann einzeln angesteuert werden, da eine Bedienperson (oder ein Controller) unter Verwendung von zeitgemultiplextem Ansteuern unterschiedliche Qubits ansteuern kann. Durch Steuern des 1-N-Quantenschalters 100_1 kann der Bediener (Controller) jeden Ansteuer- oder Ausleseimpuls (der zu verschiedenen Zeitpunkten gesendet wird) an das entsprechende Qubit-Auslesesystem anpassen. Die folgende Erläuterung bezieht sich auf das erste Mikrowellensignal mit der Qubit-Frequenz (z.B. um das Qubit 1550_1 zum Zeitpunkt t1 anzusteuern), gilt jedoch analog für Mikrowellensignale mit den jeweiligen Qubit-Frequenzen, um die Qubits 1550_2 bis 1550_N anzusteuern. Am Eingang IN1 werden zum Ansteuern der gewünschten Qubits 1550 Mikrowellensignale unter Verwendung von Zeitmultiplexen zu der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 übertragen. Beispielsweise wird ein erstes Mikrowellensignal mit der Qubit-Frequenz zum Ansteuern des Qubits 1550_1 zum Zeitpunkt t1 auf der Übertragungsleitung 30_1 übertragen, ein zweites Mikrowellensignal mit der Qubit-Frequenz wird zum Ansteuern des Qubits 1550_2 zum Zeitpunkt t2 auf der Übertragungsleitung 30_1 übertragen, bis zu einem letzten Mikrowellensignal, das mit der Qubit-Frequenz zum Ansteuern des Qubits 1550_N zum Zeitpunkt tN auf der Übertragungsleitung 30_N übertragen wird. In einer Implementierung können die Zeitpunkte zum Übertragen der Mikrowellensignale die Beziehung haben, bei der für die Zeitpunkte t1 < t2 < tN gilt. In einer weiteren Implementierung können die Zeitpunkte abhängig von der Operation in einer anderen zeitlichen Reihenfolge sein. Unabhängig von der zeitlichen Reihenfolge besteht die Idee darin, dass in 15 zu jedem gegebenen Zeitpunkt auf nicht mehr als ein Qubit-Auslesesystem zugegriffen oder es angesprochen wird.
Das erste Mikrowellensignal bei der Qubit-Frequenz zum Ansteuern des Qubits 1550_1 wird an den Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505 übertragen, der das erste Mikrowellensignal an den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet. Der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 ist (über ein abstimmbares Filter 20) so konfiguriert, dass er das erste Mikrowellensignal über die Übertragungsleitung 30_1 zu dem Qubit 1550_1 in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 leitet. Jedes abstimmbare Filter 20 in dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 wird im Voraus oder im laufenden Betrieb so konfiguriert, dass es ein bestimmtes Mikrowellensignal der ersten bis letzten Mikrowellensignale gemäß der durchgeführten Operation zu dem jeweiligen Qubit der Qubits 1550 leitet, so dass jedes Mikrowellensignal zu seinem entsprechenden Qubit 1550 mit einer passenden Qubit-Frequenz geleitet wird. Dementsprechend es gibt ein abstimmbares Filter 20, das mit einer jeweiligen Übertragungsleitung 30_1 bis 30_N verbunden ist, so dass ein abstimmbares Filter 20 so konfiguriert wird, dass es das beabsichtigte Mikrowellensignal zu seinem beabsichtigten (einen) Qubit 1550 leitet, da die Qubit-Frequenz mit der Transmission des verbundenen abstimmbaren Filters 20 übereinstimmt, das mit dem beabsichtigten Qubit verbunden ist. Jede Übertragungsleitung 30_1 bis 30_N ist mit einem entsprechenden abstimmbaren Filter 20 verbunden. Das Qubit 1550_1 wird durch das erste Mikrowellensignal mit der Qubit-Frequenz für das Qubit 1550_1 auf einen Zustand gesteuert, da das Mikrowellensignal bei der Qubit-Frequenz für das Qubit 1550_1 auf der Übertragungsleitung 30_1 durch den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 zum Qubit 1550_1 geleitet wurde.
Auf ähnliche Weise wird am Eingang IN1 zum Ansteuern des Qubits 1550_2 zum Zeitpunkt t2 ein zweites Mikrowellensignal mit der Qubit-Frequenz, die mit dem Qubit 1550_2 übereinstimmt, an den Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505 übertragen, der dann das zweite Mikrowellensignal zu dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet, und der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet das zweite Mikrowellensignal über das abstimmbare Filter 20 (das so konfiguriert ist, dass es die Qubit-Frequenz des Qubits 1550_2 durchlässt) zum Qubit 1550_2 in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520. Das Qubit 1550_2 wird durch das zweite Mikrowellensignal bei der übereinstimmenden Qubit-Frequenz für das Qubit 1550_2 in einen Zustand gesteuert, da das Mikrowellensignal bei der Qubit-Frequenz für das Qubit 1550_2 durch den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 auf der Übertragungsleitung 30_2 zum Qubit 1550_2 geleitet wurde. Wie oben beschrieben kann der Zeitpunkt t2 vor t1 oder nach t1 und/oder vor tN oder nach tN liegen (abhängig von der Operationsabfolge bei der Verarbeitung).
Gleichermaßen wird am Eingang IN1 zum Ansteuern des Qubits 1550_N zum Zeitpunkt tN ein letztes Mikrowellensignal mit der Qubit-Frequenz, die mit dem Qubit 1550_N übereinstimmt, an den Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505 übertragen, der dann das letzte Mikrowellensignal zu dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet, und der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet das letzte Mikrowellensignal über das abstimmbare Filter 20 (das so konfiguriert ist, dass es die Qubit-Frequenz durchlässt, die mit dem Qubit 1550_N übereinstimmt) zum Qubit 1550_N in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520. Das Qubit 1550_N wird durch das letzte Mikrowellensignal bei der Qubit-Frequenz für das Qubit 1550_N in einen Zustand gesteuert, da das Mikrowellensignal bei der Qubit-Frequenz für das Qubit 1550_N auf der Übertragungsleitung 30_N durch den N Quantenschalter/Router 100_1 zum Qubit 1550_N geleitet wurde. Dieser zeitgemultiplexte Prozess kann genutzt werden, um die Qubits in den 15 bis 18 anzusteuern.
Wie oben erläutert, kann jedes einzelne Qubit 1550_1 bis 1550_N an einem unterschiedlichen Zeitpunkt t1, t2, ... tN durch die jeweiligen ersten bis letzten Mikrowellensignale an die gewünschten Qubits 1550_1 bis 1550_N angesteuert werden. Jedes der Qubits 1550_1 bis 1550_N wird an einem Zeitpunkt nach einem Zeitschema einzeln angesteuert. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn der Operator (oder Controller) Gatter-Operationen (Kreuzresonanz-Gatter) zwischen benachbarten Qubits durchführt, der Operator (oder Controller) einen Qubit-Impuls an ein bestimmtes Qubit mit der Frequenz eines seiner Nachbarn senden (nicht seine eigene Frequenz) kann, die in einer Implementierung auftreten kann. Nachdem jedes Qubit 1550_1 bis 1550_N angesteuert wurde, gibt es ein reflektiertes Mikrowellensignal. Ein Beispielfall ist für das Qubit 1550_1 angegeben, das gilt jedoch analog für die Qubits 1550_2 bis 1550_N. Nach dem Ansteuern des Qubits 1550_1 wird das erste Mikrowellensignal mit der Qubit-Frequenz für das Qubit 1550_1 auf der Übertragungsleitung 30_1 zurück zu dem angeschlossenen abstimmbaren Filter 20 in dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 reflektiert. Da das an die Übertragungsleitung 30_1 angeschlossene abstimmbare Filter 20 so konfiguriert ist, dass es das erste Mikrowellensignal vom Qubit 1550_1 durchlässt, gibt der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 das reflektierte erste Mikrowellensignal (über den einzelnen Anschluss) an den Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler aus. Der Zirkulator/Richtungskoppler 1505 leitet das reflektierte (abgehende) erste Mikrowellensignal (gemäß dem Pfeil) zu dem 1-2-Quantenschalter 100_2. Der Quantenschalter 100_2 ist so konfiguriert, dass er das reflektierte erste Mikrowellensignal unter Verwendung seines abstimmbaren Filters 20 an die Kaltlast/Dump 1510 ausgibt. Der Quantenschalter 100_2 hat zwei abstimmbare Filter 20, von denen eines so geschaltet ist, dass es reflektierte Mikrowellensignale, bei denen es sich um Ansteuerimpulse handelt (wie oben erläutert), zu der Kaltlast/Dump 1510 leitet, und eines so geschaltet ist, dass es reflektierte Mikrowellensignale, bei denen es sich um Ausleseimpulse handelt, an den quantenlimitierten Breitband-Verstärker 350 leitet (wie später erläutert wird). Wie hier erläutert, können die abstimmbaren Filter 20 so abgestimmt werden, dass sie gewünschte Frequenzen über jeweilige Magnetfluss-Erzeugungsleitungen 730 durchlassen oder zurückweisen.
Nun wird erläutert, wie Qubits 1555_1 bis 1550_1 durch Lesen ihrer entsprechenden Auslese-Resonatoren 1555_N bis 1550_N in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1555_1 bis 1550_1 ausgelesen werden. Das Auslesen eines Qubit durch Auslesen seines Auslese-Resonators, um die Quanten-Information (Zustand) des Qubits zu erhalten, ist für einen Fachmann klar, und eine oder mehrere Ausführungsformen werden in dem System 1500 zum Auslesen in der Betriebsart Reflexion erläutert.
Jeder Auslese-Resonator 1555_1 bis zum Auslese-Resonator 1555_N kann eine eigene Auslese-Resonator-Frequenz haben, so dass sich bei einer Implementierung alle Auslese-Resonator-Frequenzen voneinander in der Anordnung des Resonator-Qubit-Systems 1520N unterscheiden. In einer anderen Implementierung müssen die Auslese-Resonator-Frequenzen nicht unterschiedlich sein, und einige von ihnen können unterschiedlich sein, und einige können dieselben sein, da der 1-N-Quantenschalter 100_1 so konfiguriert ist, dass er zu der Stelle leitet, an die die Mikrowellensignale der Ausleseimpulse gerichtet sind. Die folgende Erläuterung gilt für das erste Mikrowellensignal bei der Auslesefrequenz (z.B. zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_1 zum Zeitpunkt t1'), ist jedoch analog für Mikrowellensignale bei den Ausleseresonatorfrequenzen zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_2 bis 1555_N gültig. Am Eingang IN1 werden zum Ansteuern der gewünschten Ausleseresonatoren 1555 Mikrowellensignale unter Verwendung von Zeitmultiplexen an die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 übertragen. Beispielsweise wird ein erstes Mikrowellensignal mit der Ausleseresonatorfrequenz zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_1 zum Zeitpunkt t1' auf der Übertragungsleitung 30_1 übertragen, ein zweites Mikrowellensignal mit der Ausleseresonatorfrequenz zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_2 wird zum Zeitpunkt t2' auf der Übertragungsleitung 30_1 übertragen, bis zu einem letzten Mikrowellensignal, das bei der Ausleseresonatorfrequenz zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_N zum Zeitpunkt tN' auf der Übertragungsleitung 30_N übertragen wird. Die Zeitsteuerung wird von einem Controller abhängig von der durchgeführten Operation oder Anwendung festgelegt, und die Zeitpunkte sind nicht gleich.
Zum Zeitpunkt t1' wird das erste Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz zum Lesen (d.h. zum Mitschwingen) des Auslese-Resonators 1555_1 zu dem Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505 übertragen, der das erste Mikrowellensignal zu dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet. Der 1-N Quantenschalter/Router 100_1 ist (über das abstimmbare Filter 20) so konfiguriert, dass er das erste Mikrowellensignal über die Übertragungsleitung 30_1 zum Ausleseresonator 1555_1 in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 leitet. Jedes abstimmbare Filter 20 in dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 kann so konfiguriert werden (im Voraus und/oder spontan eine Steuerung), dass es ein bestimmtes der ersten bis letzten Mikrowellensignale zu dem jeweiligen der Ausleseresonatoren 1555 leitet, so dass jedes Mikrowellensignal zu seinem entsprechenden Ausleseresonator 1555 geleitet wird. Es gibt dementsprechend ein abstimmbares Filter 20, das mit einer jeweiligen Übertragungsleitung 30_1 bis 30_N verbunden ist, so dass ein abstimmbares Filter 20 so konfiguriert wird, dass es das beabsichtigte Mikrowellensignal zu seinem beabsichtigten (einen) Ausleseresonator 1555 leitet, da die Signalfrequenz mit der Übertragung des abstimmbaren Filters 20 übereinstimmt, das mit dem beabsichtigten Ausleseresonator 1555 verbunden ist (sowie mit dem beabsichtigten Qubit 1550 verbunden ist, da die Qubit-Signalfrequenz mit der Übertragung desselben abstimmbaren Filters 20 übereinstimmt, das mit dem beabsichtigten Qubit 1550 verbunden ist). Jede Übertragungsleitung 30_1 bis 30_N ist mit einem jeweiligen abstimmbaren Filter 20 in dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 verbunden. So wie das Qubit 1550_1 durch das erste an das Qubit 1550_1 gesendete Mikrowellensignal auf einen Zustand gesteuert wird, weil die an das Qubit 1550_1 gesendete Mikrowellensignalfrequenz auf der Übertragungsleitung 30_1 vom 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 zum Qubit 1550_1 geleitet wurde, wird der Ausleseresonator 1555_1 von dem ersten an den Ausleseresonator 1555_1 gesendeten Mikrowellensignal gelesen, da das Mikrowellensignal bei der Ausleseresonatorfrequenz für den Ausleseresonator 1555_1 vom 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 auf die Übertragungsleitung 30_1 geleitet wurde, um den Resonator 1555_1 auszulesen. Mit anderen Worten, das mit der Übertragungsleitung 30_1 verbundene abstimmbare Filter 20 kann so abgestimmt werden, dass es sowohl den Qubit-Treiberimpuls für das Qubit 1550_1 als auch den Ausleseimpuls für den Ausleseresonator 1555_1 überträgt, während alle anderen abstimmbaren Filter 20 im 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 diese Frequenzen zurückweisen.
In ähnlicher Weise wird am Eingang IN1 zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_2 zum Zeitpunkt t2' ein zweites Mikrowellensignal mit der Ausleseresonatorfrequenz an den Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505 übertragen, der dann das zweite Mikrowellensignal zu dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet, und der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet das zweite Mikrowellensignal über das abstimmbare Filter 20 (das so konfiguriert ist, dass es die Signalfrequenz durchlässt, um den Ausleseresonator 1555_2 auszulesen) zum Ausleseresonator 1555_2 in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520. Der Auslese-Resonator 1555_2 wird von dem zweiten Mikrowellensignal bei der Ausleseresonatorfrequenz für den Ausleseresonator 1555_2 gelesen, da das Mikrowellensignal bei der Ausleseresonatorfrequenz für den Ausleseresonator 1555_2 auf der Übertragungsleitung 30_2 vom 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 zum Auslese-Resonator 1555_2 geleitet wurde. Sobald das Qubit 1550_2 durch das erste an das Qubit 1550_2 gesendete Mikrowellensignal in einen Zustand gesteuert wurde, weil die an das Qubit 1550_2 gesendete Mikrowellensignalfrequenz auf der Übertragungsleitung 30_2 vom 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 zum Qubit 1550_2 geleitet wurde, wird Ausleseresonators 1555_2 durch das erste an den Ausleseresonator 1555_2 gesendete Mikrowellensignal gelesen (d.h. zum Schwingen gebracht wird), weil das Mikrowellensignal bei der Ausleseresonatorfrequenz für den Ausleseresonator 1555_2 auf der Übertragungsleitung 30_2 vom 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 zum Auslesen des Resonators 1555_2 geleitet wurde. Mit anderen Worten, das mit der Übertragungsleitung 30_2 verbundene abstimmbare Filter 20 kann so abgestimmt werden, dass es sowohl den Qubit-Ansteuerimpuls für das Qubit 1550_2 als auch den Ausleseimpuls für den Ausleseresonator 1555_2 überträgt, während alle anderen abstimmbaren Filter 20 im 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 diese Frequenzen zurückweisen.
Gleichermaßen wird am Eingang IN1 zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_N zum Zeitpunkt tN' ein letztes Mikrowellensignal mit der Ausleseresonatorfrequenz an den Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505 übertragen, der dann das letzte Mikrowellensignal an den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet, und der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet das letzte Mikrowellensignal über das abstimmbare Filter 20 (das so konfiguriert ist, dass es die Signalfrequenz durchlässt, um den Ausleseresonator 1555_N zu lesen) an den Ausleseresonator 1555_N in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520. Der Ausleseresonator 1555_N wird durch das letzte Mikrowellensignal bei der Auslesefrequenz für den Ausleseresonator 1555_N gelesen, da das Mikrowellensignal bei der Ausleseresonatorfrequenz für den Ausleseresonator 1555_N auf der Übertragungsleitung 30_N durch den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 zum Auslese-Resonator 1555_N geleitet wurde. Sobald das Qubit 1550_N durch das an das Qubit 1550_N gesendete erste Mikrowellensignal in einen Zustand gesteuert wurde, weil die an das Qubit 1550_N gesendete Mikrowellensignalfrequenz auf der Übertragungsleitung 30_N vom 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 zum Qubit 1550_N geleitet wurde, wird der Ausleseresonator 1555_N durch das erste an den Ausleseresonator 1555_N gesendete Mikrowellensignal gelesen, da das Mikrowellensignal bei der Ausleseresonatorfrequenz für den Ausleseresonator 1555_N auf der Übertragungsleitung 30_N von dem 1-N-Quantenschalter/Router zum Ausleseresonator 1555_N geleitet wurde. Mit anderen Worten, das mit der Übertragungsleitung 30_N verbundene abstimmbare Filter 20 kann so abgestimmt werden, dass es sowohl den Qubit-Ansteuerimpuls für das Qubit 1550_N als auch den Ausleseimpuls für den Ausleseresonator 1555_N überträgt, während alle anderen abstimmbaren Filter 20 im 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 diese Frequenzen zurückweisen.
Wie oben erläutert, kann jeder einzelne Ausleseresonator 1555_1 bis 1555_N durch die jeweiligen ersten bis letzten Mikrowellensignale gelesen werden, die an den gewünschten Ausleseresonator 1555_1 bis 1555_N, zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt t1', t2', ... tN' gesendet werden. Jeder der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N wird nach dem Zeitschema einzeln gelesen. Nachdem alle Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N gelesen wurden (d.h. in Resonanz gebracht wurden), gibt es ein reflektiertes Mikrowellensignal. Ein Beispiel für den Ausleseresonator 1555_1 wird angegeben, es gilt jedoch analog für die Ausleseresonatoren 1555_2 bis 1555_N. Nach dem Auslesen des Ausleseresonators 1555_1 wird das erste Mikrowellensignal bei der Ausleseresonatorfrequenz für den Ausleseresonator 1555_1 auf der Übertragungsleitung 30_1 zu dem damit verbundenen abstimmbaren Filter 20 im 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 reflektiert. Da das mit der Übertragungsleitung 30_1 verbundene abstimmbare Filter 20 so konfiguriert ist, dass es das erste Mikrowellensignal bei der Ausleseresonatorfrequenz des Ausleseresonators 1555_1 durchlässt, gibt der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 das reflektierte erste Mikrowellensignal (über den einzelnen Anschluss) an den BreitbandZirkulator/Richtungskoppler 1505 aus. Der Breitband- Zirkulator/Richtungskoppler 1505 leitet das reflektierte (abgehende) erste Mikrowellensignal zu dem 1-2-Quantenschalter 100_2. Der Quantenschalter 100_2 ist so konfiguriert, dass er das reflektierte erste Mikrowellensignal an den quantenbegrenzten Breitbandverstärker 350 ausgibt, indem es das abstimmbare Filter 20 durchläuft, das mit dem Anschluss verbunden ist, der es an den quantenlimitierten Breitbandverstärker 350 ausgibt. Wie oben angegeben hat der Quantenschalter 100_2 zwei abstimmbare Filter 20, von denen eines so geschaltet ist, dass es reflektierte Mikrowellensignale durchlässt, bei denen es sich um die Ansteuerimpulse handelt, und eines so geschaltet ist, dass es reflektierte Mikrowellensignale durchlässt, bei denen es sich um Ausleseimpulse handelt.
Der 1-2-Quantenschalter 100_2 und die Kaltlast/Dump 1510 sind optional und mit gestrichelten Linien dargestellt. In einer Ausführungsform kann der BreitbandZirkulator/Richtungskoppler 1505 direkt mit dem quantenlimitierten Breitband-Verstärker 350 verbunden sein, und es sind kein 1-2-Quantenschalter 100_2 und kein Kaltlast/Dump 1510 vorhanden. In diesem Fall wird die Pumpansteuerung zu dem quantenlimitierten Breitband-Verstärker 350 eingeschaltet, wenn ein reflektiertes Mikrowellensignal (d.h. reflektierter Ausleseimpuls) von einem der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N aus dem Zirkulator 1505 in den quantenlimitierten Breitbandverstärker 350 eintritt, so dass die reflektierten Mikrowellensignale (d.h. reflektierte Ansteuer-/Qubit-Impulse) von den Ausleseresonatoren 1555 verstärkt werden. Die Pumpansteuerung zu dem quantenlimitierten Verstärker 350 wird ausgeschaltet, wenn ein reflektiertes Mikrowellensignal (d.h. ein reflektierter Ansteuer-/Qubit-Impuls) von einem der Qubits 1550_1 bis 1550_N von dem Zirkulator 1505 in den quantenlimitierten Breitbandverstärker 350 eintritt, so dass die reflektierten Mikrowellensignale (reflektierte Ansteuer-/Qubit-Impulse) von den Qubits 1550 nicht verstärkt werden. Das Zeitschema wird im Voraus festgelegt oder dynamisch durch einen Controller zum Einschalten der Pumpe an den quantenlimitierter Verstärker 350 bestimmt, um das reflektierte Mikrowellensignal (d.h. den reflektierten Ausleseimpuls) von den Ausleseresonatoren 1555 zu verstärken, und um die Pumpe auszuschalten, wenn reflektierte Ansteuer-/Qubit-Impulse vorhanden sind. Der Controller kann einen Speicher mit durch einen Computer ausführbaren Anweisungen und einen oder mehrere Prozessoren enthalten, die zum Ausführen der durch den Computer ausführbaren Anweisungen gemäß hier erläuterter Ausführungsformen konfiguriert sind.
In 15 können zu den Eigenschaften des supraleitenden Quantenschalters/Routers gehören: Übertragung nahe eins > -0,04 dB, Reflexion kleiner als -20 dB und ein großes Ein/Aus-Verhältnis > 20 dB. Bei der Gestaltung für das System 1500 ist der supraleitende Quantenschalter/Router verlustfrei, schaltet schnell (~ ns), ist auf mehr als zwei Anschlüsse skalierbar und hat einen großen dynamischen Bereich > -80 dBm, um Kreuzresonanz-Mikrowellen zu unterstützen, und ist breitbandig (deckt die Qubit- und Auslesefrequenzen ab, die in der Anordnung der Resonator-Qubit-Systeme 1520 genutzt werden sollen).
16 ist ein System 1600 sowohl zum Qubit-Ansteuern als auch zum Qubit-Auslesen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das System 1600 veranschaulicht den Betrieb in der Betriebsart Reflexion, bei der zum Auslesen der Qubits und der Qubit-Impulse unterschiedliche Eingangs- und Ausgangsleitungen (E/A-Leitungen) (d.h. Übertragungsleitungen) verwendet werden. In diesem Fall wird der Eingang IN1 zum Auslesen der Ausleseresonatoren 1555 genutzt, während der Eingang IN2 zum Ansteuern der Qubits 1550 verwendet wird. Das System 1600 enthält dieselben Elemente wie das System 1500 mit der Ausnahme, dass das System 1600 den 1-2-Quantenschalter in 15 nicht enthält. Das System 1600 enthält zwei mit 1505_1 und 1505_2 bezeichnete Breitband-Zirkulatoren/Richtungskoppler, enthält zwei 1-N-Quantenschalter/Router, die mit 100_1 und 100_2 bezeichnet sind, und zwei als Eingang IN1 und Eingang IN2 bezeichnete Eingangsleitungen.
Zum besseren Verständnis und nicht als Einschränkung werden bestimmte Merkmale im System 1600 in Bezug auf die Ausleseseite und die Qubit-Steuer/Ansteuer-Seite erläutert. Auf der Ausleseseite ist der Eingang IN1 mit dem Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_1 über einen Anschluss verbunden, und über einen anderen Anschluss ist der Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_1 mit dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 verbunden, der zum Auslesen des Ausleseresonatoren 1555 genutzt wird. Der zum Auslesen genutzte 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 ist über Übertragungsleitungen 30_1 bis 30_N mit der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 verbunden, wie oben erläutert. Der Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_1 ist mit dem quantenlimitierten Breitbandverstärker 350 verbunden, wenn Ausleseimpulse von den Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N reflektiert werden.
Auf der Qubit-Steuer/Ansteuer-Seite ist der Eingang IN2 mit dem BreitbandZirkulator/Richtungskoppler 1505_2 über einen Anschluss verbunden, und über einen anderen Anschluss ist der Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_2 mit dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 verbunden, der zum Ansteuern/Steuern der Qubits 1550 genutzt wird. Der 1-N-Quantenschalter/Router 100_2, der für das Ansteuern/Steuern von Qubits genutzt wird, ist über Übertragungsleitungen 30_1 bis 30_N mit der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 verbunden, wie oben erläutert. Der Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_2 ist mit dem Kaltlast/Dump 1510 verbunden, wenn Ansteuerimpulse reflektiert werden.
Das Ansteuern von Qubits 1550 und das Auslesen von Ausleseresonatoren 1555 erfolgt analog zu dem System 1500 in 15 mit der Ausnahme, dass zwei separate Speiseleitungen (Übertragungsleitungen) für den Eingang IN1 zum Eingeben der Ausleseimpulse und für den Eingang IN2 zum Eingeben der Qubit/Ansteuer-Impulse genutzt werden. In dem System 1600 von 16 ist die folgende Erläuterung für das erste Mikrowellensignal, das an das Qubit 1550_1 angelegt wird (z.B. um das Qubit 1550_1 zum Zeitpunkt t1 anzusteuern), gilt jedoch analog für Mikrowellensignale bei den Qubitsignalfrequenzen, um die Qubits 1550_2 bis 1550_N anzusteuern. Am Eingang IN2 werden zum Ansteuern der gewünschten Qubits 1550 Mikrowellensignale unter Verwendung von Zeitmultiplexen an die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 übertragen. Zum Beispiel wird ein erstes Mikrowellensignal zum Ansteuern des Qubits 1550_1 zum Zeitpunkt t1 auf der Übertragungsleitung 30_1 übertragen. Das Signal zum Ansteuern des Qubits 1550_2 wird zum Zeitpunkt t2 auf der Übertragungsleitung 30_1 übertragen, bis zu einem letzten Mikrowellensignal, das zum Ansteuern des Qubits 1550_N zum Zeitpunkt tN auf der Übertragungsleitung 30_N übertragen wird.
In 16 wird das erste Mikrowellensignal zum Ansteuern des Qubits 1550_1 an den Breitbandzirkulator 1505_2 übertragen, der das erste Mikrowellensignal an den 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 leitet. Der 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 ist (über das abstimmbare Filter 20) so konfiguriert, dass er das erste Mikrowellensignal über die Übertragungsleitung 30_1 auf der Qubit-Steuer/Ansteuer-Seite zu dem Qubit 1550_1 in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 leitet. Jedes Filter 20 in dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 ist so konfiguriert (z.B. im Voraus und/oder spontan durch den Controller festgelegt), dass es ein bestimmtes Mikrowellensignal von ersten bis letzten Mikrowellensignalen gemäß seiner Qubit-Signalfrequenz zu dem entsprechenden der Qubits 1550 leitet, so dass jedes Mikrowellensignal zu seinem entsprechenden Qubit 1550 geleitet wird. Dementsprechend gibt es ein abstimmbares Filter 20, das mit einer jeweiligen Übertragungsleitung 30_1 bis 30_N auf der Qubit-Steuer-/Ansteuer-Seite verbunden ist, so dass das abstimmbare Filter 20 so konfiguriert wird, dass es das beabsichtigte Mikrowellensignal zu seinem beabsichtigten Qubit 1550 leitet, weil die Qubit-Signalfrequenz mit der Übertragung des abstimmbaren Filters 20 übereinstimmt, das mit dem beabsichtigten Qubit 1550 verbunden ist. Jede Übertragungsleitung 30_1 bis 30_N ist mit einem entsprechenden abstimmbaren Filter 20 des 1-N-Quantenschalters/Routers 100_2 verbunden. Das Qubit 1550_1 wird durch das erste an das Qubit 1550_1 gesendete Mikrowellensignal auf einen Zustand gesteuert, da das Mikrowellensignal für das Qubit 1550_1 auf der Übertragungsleitung 30_1 (der Qubit-Ansteuerseite) durch den 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 zum Qubit 1550_1 geleitet wurde.
Auf ähnliche Weise wird am Eingang IN2 zum Ansteuern des Qubits 1550_2 ein zweites, an das Qubit 1550_2 gesendetes Mikrowellensignal zum Zeitpunkt t2 an den Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_2 übertragen, der dann das zweite Mikrowellensignal an den 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 leitet, und der 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 leitet das zweite Mikrowellensignal über das abstimmbare Filter 20 (das so konfiguriert ist, dass es die Qubit-Signalfrequenz des Qubits 1550_2 durchlässt) zum Qubit 1550_2 in der Anordnung der Resonator-Qubit Systeme 1520. Das Qubit 1550_2 wird durch das zweite Mikrowellensignal für das Qubit 1550_2 in einen Zustand versetzt, da das an das Qubit 1550_2 gesendete Mikrowellensignal auf der Übertragungsleitung 30_2 auf der Qubit-Treiberseite durch den 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 zum Qubit 1550_2 geleitet wurde.
Gleichermaßen wird am Eingang IN2 zum Ansteuern des Qubits 1550_N ein letztes an das Qubit gesendete Mikrowellensignal 1550_N zum Zeitpunkt tN zu dem Breitband-Zirkulator/Richtungskopplers 1505_2 übertragen, der dann das letzte Mikrowellensignal zu dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 leitet, und der 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 leitet das letzte Mikrowellensignal über das abstimmbare Filter 20 (das so konfiguriert ist, dass es die Qubit-Signalfrequenz des Qubits 1550_N durchlässt) zu dem Qubit 1550_N in der Anordnung der Resonator-Qubit-Systeme 1520. Das Qubit 1550_N wird durch das letzte Mikrowellensignal für das Qubit 1550_N in einen Zustand gesteuert, da das an das Qubit 1550_N gesendete Mikrowellensignal auf der Übertragungsleitung 30_N auf der Qubit-Ansteuerseite durch den 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 zum Qubit 1550_N geleitet wurde.
Wie oben erläutert kann jedes einzelne Qubit 1550_1 bis 1550_N an dem Eingang IN2 (es ist zu beachten, dass in 15 der Eingang IN1 verwendet wird) auf der Qubit-Ansteuerseite durch die jeweiligen ersten bis letzten Mikrowellensignale gesteuert werden, die jeweils zu einem anderen Zeitpunkt t1, t2,... tN an die gewünschten Qubits 1550_1 bis 1550_N gesendet werden. Jedes der Qubits 1550_1 bis 1550_N wird nach einem Zeitschema einzeln angesteuert. Nachdem jedes Qubit 1550_1 bis 1550_N angesteuert wurde, gibt es ein reflektiertes Mikrowellensignal. Wie oben erläutert, ist ein Beispielfall für das Qubit 1550_1 angegeben, gilt jedoch analog für die Qubits 1550_2 bis 1550_N. Nach dem Ansteuern des Qubits 1550_1 wird das erste, an das Qubit 1550_1 gesendete Mikrowellensignal von der Übertragungsleitung 30_1 (auf der Qubit-Ansteuer/Steuer-Seite) im 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 zum angeschlossenen abstimmbaren Filter 20 reflektiert. Da das abstimmbare Filter 20, das mit der Übertragungsleitung 30_1 (auf der Qubit-Ansteuerseite) verbunden ist, so konfiguriert ist, dass es die Frequenz des ersten Mikrowellensignals des Qubits 1550_1 durchlässt, gibt der 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 das reflektierte erste Mikrowellensignal (über den einzelnen Anschluss) zum Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_2 aus. Der Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_2 leitet das reflektierte (abgehende) erste Mikrowellensignal zu der Kaltlast/Dump 1510. Im Unterschied zu 15 wird jedoch in 16 kein 1-2-Quantenschalter verwendet, weil 16 separate Eingänge IN1 und IN2 hat. Wie hier erläutert können die abstimmbaren Filter 20 so abgestimmt werden, dass sie gewünschte Frequenzen durchlassen oder über jeweilige Magnetfluss-Erzeugungsleitungen 730 zurückweisen.
Es folgt nun die Erläuterung des individuellen Auslesens der Qubits 1550_1 bis 1550_N durch Lesen ihrer jeweiligen Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520, was unter Verwendung des Eingangs IN1 auf der Ausleseseite durchgeführt wird.
Die folgende Erläuterung betrifft das erste Mikrowellensignal bei der Auslesefrequenz (z.B. zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_1 zum Zeitpunkt t1'), gilt jedoch analog für Mikrowellensignale bei den Ausleseresonatorfrequenzen zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_2 bis 1555_N. Am Eingang IN1 werden zum Ansteuern der gewünschten Ausleseresonatoren 1555 Mikrowellensignale unter Verwendung von Zeitmultiplexen an die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 übertragen. Zum Beispiel wird ein erstes Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_1 zum Zeitpunkt t1' auf der Übertragungsleitung 30_1 auf der Ausleseseite gesendet, und ein zweites Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_2 wird zum Zeitpunkt t2' auf der Übertragungsleitung 30_1 auf der Ausleseseite gesendet, bis zu einem letzten Mikrowellensignal, das mit der Auslesefrequenz zum Auslesen des Ausleseresonator 1555_N zum Zeitpunkt tN' auf der Übertragungsleitung 30_N auf der Ausleseseite gesendet wird.
Zum Zeitpunkt t1' wird das erste Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_1 an den Breitbandzirkulator 1505_1 übertragen, der das erste Mikrowellensignal an den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet. Der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 ist (über das abstimmbare Filter 20) so konfiguriert, dass er das erste Mikrowellensignal über die Übertragungsleitung 30_1 auf der Ausleseseite zum Ausleseresonator 1555_1 in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 leitet. Jedes abstimmbare Filter 20 in dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 ist so konfiguriert (z.B. im Voraus und/oder durch den Controller spontan festgelegt), dass er ein bestimmtes der ersten bis letzten Mikrowellensignale gemäß seiner Auslesefrequenz zu dem jeweiligen Ausleseresonator 1555 leitet, so dass jedes Mikrowellensignal zu seinem entsprechenden Ausleseresonator 1555 geleitet wird. Dementsprechend gibt es ein abstimmbares Filter 20, das mit einer jeweiligen Übertragungsleitung 30_1 bis 30_N auf der Ausleseseite verbunden ist, so dass ein abstimmbares Filter 20 so konfiguriert wird, dass es das beabsichtigte Mikrowellensignal zu seinem beabsichtigten (einen) Ausleseresonator 1555 leitet, da die Auslesefrequenz mit der Übertragung des abstimmbaren Filters 20 übereinstimmt, das mit dem beabsichtigten Ausleseresonator 1555 verbunden ist. In 16 muss dieses eine abstimmbare Filter 20 in dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 das erste Mikrowellensignal bei der Auslesefrequenz des Resonators 1555_1 durchlassen, muss jedoch nicht dafür konfiguriert sein, ein beliebiges Mikrowellensignal mit einer Qubit-Frequenz durchzulassen, die mit dem beabsichtigten Qubit 1550_1 übereinstimmt, das mit dem Ausleseresonator 1555_1 verbunden ist. Jede Übertragungsleitung 30_1 bis 30_N auf der Ausleseseite ist mit einem jeweiligen abstimmbaren Filter 20 in dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 verbunden.
In ähnlicher Weise wird am Eingang IN1 auf der Ausleseseite zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_2 ein zweites Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz des Ausleseresonators 1555_2 zum Zeitpunkt t2' an den BreitbandZirkulator/Richtungskoppler 1505_1 übertragen, der dann das zweite Mikrowellensignal an den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet. Der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet das zweite Mikrowellensignal über das abstimmbare Filter 20 (das so konfiguriert ist, dass es die Auslesefrequenz des Ausleseresonators 1555_2 durchlässt) zum Ausleseresonator 1555_2 in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520. Der Ausleseresonator 1555_2 wird durch das zweite Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz für den Ausleseresonator 1555_2 gelesen, da das Mikrowellensignal bei der Auslesefrequenz für den Ausleseresonator 1555_2 auf der Ausleseseite 30_2 durch den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 zum Ausleseresonators 1555_2 geleitet wurde.
Gleichermaßen wird am Eingang IN1 auf der Ausleseseite zum Auslesen des Ausleseresonators 1555_N ein letztes Mikrowellensignal bei der Auslesefrequenz des Ausleseresonators 1555_N zum Zeitpunkt tN' an den BreitbandZirkulator/Richtungskoppler 1505_1 übertragen, der dann das letzte Mikrowellensignal an den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet. Der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 leitet das letzte Mikrowellensignal über das abstimmbare Filter 20 (das so konfiguriert ist, dass es die Qubit-Frequenz des Ausleseresonators 1555_N durchlässt) zu dem Ausleseresonator 1555_N in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520. Der Ausleseresonator 1555_N wird durch das letzte Mikrowellensignal bei der Auslesefrequenz für den Ausleseresonator 1555_N gelesen, da das Mikrowellensignal bei der Auslesefrequenz für den Ausleseresonator 1555_N auf der Übertragungsleitung 30_N auf der Ausleseseite durch den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 zum Auslesen des Resonators 1555_N geleitet wurde.
Wie oben erläutert kann jeder einzelne Auslese Resonator 1555_1 bis 1555_N durch das jeweilige erste bis letzte Mikrowellensignal mit einer Auslesefrequenz, die mit dem gewünschten Auslese Resonator 1555_1 bis 1555_N übereinstimmt, zu einem anderen Zeitpunkt t1', t2', ... tN' gelesen werden. Jeder der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N wird nach dem Zeitschema einzeln gelesen. Nachdem alle Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N gelesen wurden (d.h. in Resonanz gebracht wurden), liegt ein reflektiertes Mikrowellensignal vor. Ein Beispiel ist den Ausleseresonator 1555_1 angegeben, gilt jedoch analog für die Ausleseresonatoren 1555_2 bis 1555_N. Nach dem Lesen des Ausleseresonators 1555_1 wird das erste Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz für den Ausleseresonator 1555_1 der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 auf der Übertragungsleitung 30_1 (auf der Ausleseseite) zu dem angeschlossenen abstimmbaren Filter 20 in dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 reflektiert. Da das abstimmbare Filter 20, das mit der Übertragungsleitung 30_1 (auf der Ausleseseite) verbunden ist, so konfiguriert ist (z.B. im Voraus und/oder spontan durch den Controller), dass es das erste Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz des Ausleseresonators 1555_1 durchlässt, gibt der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 das reflektierte erste Mikrowellensignal (über den einzelnen Anschluss) an den Breitbandzirkulator/Richtungskoppler 1505_1 aus. Der BreitbandZirkulator/Richtungskoppler 1505_1 leitet das reflektierte (abgehende) erste Mikrowellensignal zu dem quantenlimitierten Breitbandverstärker 350. Wie oben erwähnt leitet der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 reflektierte Mikrowellensignale (d.h. reflektierte Ausleseimpulse von den jeweiligen Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) zum Verstärken an den quantenlimitierten Breitbandverstärker 350.
In ähnlicher Weise wird jedes der reflektierten Mikrowellensignale (bei denen es sich um Ansteuerimpulse handelt, die von den jeweiligen Qubits 1550_1 bis 1550_N auf Übertragungsleitungen 30_1 bis 30_N auf der Qubit-Ansteuerseite reflektiert wurden) von der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 zurück zu dem 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 übertragen. Der 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 überträgt die reflektierten Mikrowellensignale der Ansteuerimpulse an den BreitbandZirkulator/Richtungskoppler 1505_2, der dann die reflektierten Mikrowellensignale der Ansteuerimpulse zu dem Kaltlast/Dump 1510 leitet.
Zu den technischen Vorteilen des Systems 1600 in 16 gegenüber dem System 1500 kann Folgendes gehören. 1) Der 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 auf der Ausleseseite kann anders als der 1-N-Quantenschalter/Router 100_2 auf der Qubit-Steuerseite ausgelegt sein. 2) Es ist nicht erforderlich, abgehende Auslese- und Qubit-Impulse auf verschiedenen Pfaden zu leiten, und es ist nicht erforderlich, die an den quantenlimitierten Breitbandverstärker angelegte Pumpe zu betreiben. Der Kompromiss beim Verwenden des Systems 1600 (im Gegensatz zum System 1500) ist die doppelte (2x) Anzahl der Eingangsleitungen, die doppelte (2x) Anzahl der Zirkulatoren und die doppelte (2x) Anzahl der 1-N-Quantenschalter/Router.
17 ist ein System 1700, um (sowohl) Qubits anzusteuern und (als auch) Qubits auszulesen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das System 1700 veranschaulicht das Betreiben in der Betriebsart Reflexion, bei der beim Auslesen der Ausleseresonatoren (zum Lesen der Qubits) mit Ausleseimpulsen und beim Ansteuern/Steuern der Qubits mit Qubit-Impulsen unterschiedliche Eingangs- und Ausgangsleitungen (E/A-Leitungen) (d.h. Übertragungsleitungen) verwendet werden.
Das Betreiben der Mikrowellensignale als Qubit-Ansteuerimpulse, die jeweils Qubits 1550_1 bis 1550_N in der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 ansteuern, wurde in 16 erläutert und gilt für 17. In ähnlicher Weise wurde der Prozess des Übertragens der reflektierten Mikrowellensignale der Qubit-Ansteuerimpulse an den Kaltlast/Dump 1510 in 16 erläutert und gilt für 17.
Auf der Ausleseseite hat der Signalverteiler (Kombinierer) 1000_1 in dem System 1700 von 17 den 1-N-Quantenschalter/Router 100_1 von 17 ersetzt. In dem System 1700 können die ersten bis letzten Mikrowellensignale bei den Auslesefrequenzen (der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) alle gleichzeitig über Frequenzmultiplexen am Eingang IN1 auf der Ausleseseite und/oder beliebige gewünschte Mikrowellensignalen bei den gewünschten Auslesefrequenzen (der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) angelegt werden. Die ersten bis letzten Mikrowellensignale bei den Ausleseresonatorfrequenzen (der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) werden zu dem Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_1 geleitet, der die ersten bis letzten Mikrowellensignale bei den Ausleseresonatorfrequenzen (der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) zu der Signalverteilereinheit 1000_1 leitet. Die Signalverteilereinheit 1000_1 ist so konfiguriert, dass sie Frequenzmultiplexen nutzt, um die verschiedenen Ausleseresonatorfrequenzen für verschiedene Mikrowellensignale an einem einzigen Anschluss (gleichzeitig) zu empfangen, und ist so konfiguriert, dass sie (gleichzeitig) die verschiedenen Ausleseresonatorfrequenzen für die ersten bis letzten Mikrowellensignale auf mehrere Übertragungsleitungen 30_1 bis 30_N verteilt, die mit der Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520 verbunden sind. Die einzelnen Bandpassfilter 105_1 bis 105_N der Signalverteilereinheit 1000_1 sind jeweils (über Anschlüsse) mit Übertragungsleitungen 30_1 bis 30_N (auf der Ausleseseite) verbunden, so dass das Bandpassfilter 105_1 mit der Übertragungsleitung 30_1 (auf der Ausleseseite) verbunden ist, bis zu dem Bandpassfilter 105_N, das mit der Übertragungsleitung 30_N (auf der Ausleseseite) verbunden ist. Parallel dazu ist dementsprechend die Signalverteilereinheit 1000_1 so konfiguriert, dass sie das erste Mikrowellensignal mit der Ausleseresonatorfrequenz des Ausleseresonators 1555_1 über die Übertragungsleitung 30_1 zum Ausleseresonator 1555_1 leitet, um das zweite Mikrowellensignal mit der Ausleseresonatorfrequenz des Ausleseresonators 1555_2 über die Übertragungsleitung 30_2 zum Ausleseresonator 1555_2 zu leiten und um das letzte Mikrowellensignal mit der Ausleseresonatorfrequenz des Ausleseresonators 1555_N über die Übertragungsleitung 30_N zum Ausleseresonator 1555_N zu leiten. Dies liegt daran, dass jedes der Bandpassfilter 105 im Voraus individuell konfiguriert wird, um eine einzelne der Ausleseresonatorfrequenzen (eines einzelnen der Ausleseresonatoren 1555) für Mikrowellensignale durchzulassen, so dass das Bandpassfilter 105_1 so konfiguriert wird, dass es das erste Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz des Ausleseresonators 1555_1 durchlässt, das Bandpassfilter 105_2 so konfiguriert wird, dass es das zweite Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz des Ausleseresonators 1555_2 durchlässt, bis zu dem Bandpassfilter 105_N, das so konfiguriert wird, dass es das letzte Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz des Ausleseresonators 1555_N durchlässt. Dementsprechend bewirkt jedes erste bis letzte Mikrowellensignal jeweils bei einer Ausleseresonatorfrequenz der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N, dass sein jeweiliger Ausleseresonator 1555_1 bis 1555_N in Resonanz schwingt, wodurch die reflektierten ersten bis letzten Mikrowellensignale (gleichzeitig) entlang der Übertragungsleitungen 30_1 bis 30_N reflektiert werden, um die Signalverteilereinheit 1000_1 zu erreichen. Es sollte beachtet werden, dass sie parallel (gleichzeitig) ausgeführt werden können, es ist jedoch nicht erforderlich, dass das Auslesen zur gleichen Zeit erfolgt oder dass alle vor der zweiten Messrunde gemessen werden. Bei dem beispielhaften Szenario verknüpft die Signalverteilereinheit 1000_1 die reflektierten ersten bis letzten Mikrowellensignale (bei den jeweiligen Ausleseresonatorfrequenzen der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) und gibt die verknüpften reflektierten Mikrowellensignale an den Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_1 aus. Der Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_1 leitet die verknüpften reflektierten ersten bis letzten Mikrowellensignale (jeweils bei Ausleseresonatorfrequenzen des Ausleseresonators 1555_1 bis 1555_N) zu dem quantenlimitierten Breitbandverstärker 350.
Der Prozess des Ansteuerns der Qubits mit Mikrowellensignalen (als Qubit-Ansteuer/Steuer-Impulse) ist derselbe wie in 16 und wird in 17 nicht wiederholt. Die internen Einzelheiten des supraleitenden Mikrowellensignalverteilers 1000_1 können in der Erläuterung der Einheit des supraleitenden Mikrowellensignalverteilers/Kombinierers 1000 gefunden werden, die in den 10 bis 14 erfolgt.
Zu technischen Vorteilen von 17 (z.B. Verwenden der supraleitenden, verlustfreien und angepassten Signalverteilereinheit 1000) gegenüber den 15 und 16 gehören 1) gleichzeitiges Auslesen der Ausleseresonatoren und 2) fehlende Notwendigkeit, abgehende Auslese- und Qubit-Impulse auf verschiedene Pfade zu leiten. Der Kompromiss des Verwendens des Systems 1700 (im Gegensatz zum System 1500) besteht in doppelter (2x) Anzahl der Eingangsleitungen, doppelter (2x) Anzahl der Zirkulatoren und doppelter (2x) Anzahl der 1-N-Quantenschalter/Router.
18 ist ein System 1800 zum Ansteuern von Qubits und zum Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das System 1800 veranschaulicht ein Auslesen in der Betriebsart Transmission. Das System 1800 hat verschiedene Eingangs- und Ausgangsleitungen (E/A-Leitungen) (d.h. Übertragungsleitungen) zum Auslesen der Ausleseresonatoren (zum Lesen der Qubits) mit Ausleseimpulsen und zum Ansteuern/Steuern der Qubits mit Qubit-Impulsen. Das System 1800 kann mit dem System 1700 identisch sein mit der Ausnahme, dass im System 1800 das Auslesen zum Messen der Qubits in der Betriebsart Transmission unter Verwendung einer zweiten verlustfreien und angepassten Signalkombinierereinheit erfolgt (bei der Frequenzmultiplexen verwendet wird).
In dem System 1700 von 17 werden die reflektierten Mikrowellensignale (als Auslesesignale) durch die Mikrowellensignalverteilereinheit 1000_1 zurückgesendet. In 18 werden jedoch die Mikrowellensignale als Auslesesignale (bei den Ausleseresonatorfrequenzen) zu einer Mikrowellensignal-Kombinierereinheit 1000_2 übertragen, die alle gesendeten Mikrowellensignale bei den Ausleseresonatorfrequenzen verknüpft und die verknüpften Mikrowellensignale an den quantenlimitierter Breitbandverstärker 350 zum Verstärken und zur späteren Messung ausgibt.
Da am Eingang IN2 die Eingabe der Mikrowellensignale als Qubit-Steuer/AnsteuerImpulse für Qubits 1550 und die Reflexion der Mikrowellensignale für die Qubit-Steuer/Ansteuer-Impulse dieselben sind wie in den 16 und 17 erläutert, wird die Erläuterung der Qubit-Ansteuerung/Steuerung in 18 nicht wiederholt.
Ein Beispiel des Auslesens in der Betriebsart Transmission wird nun in 18 erläutert. In dem System 1800 können die ersten bis letzten Mikrowellensignale mit den Ausleseresonatorfrequenzen (der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) alle gleichzeitig über Frequenzmultiplexen am Eingang IN1 auf der Ausleseseite angelegt werden. Die ersten bis letzten Mikrowellensignale bei den Ausleseresonatorfrequenzen (der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) werden zu dem Breitband-Zirkulator/Richtungskoppler 1505_1 geleitet, der die ersten bis letzten Mikrowellensignale bei den Ausleseresonatorfrequenzen (der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) zu der Signalverteilereinheit 1000_1 leitet, wie oben erläutert. Die Signalverteilereinheit 1000_1 ist so konfiguriert, dass sie Frequenzmultiplexen nutzt, um die verschiedenen Ausleseresonatorfrequenzen für verschiedene Mikrowellensignale (an einem einzigen Anschluss) (gleichzeitig) zu empfangen, und ist so konfiguriert, dass sie (gleichzeitig) die ersten bis letzten Mikrowellensignale (gemäß ihren Ausleseresonatorfrequenzen) (der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) auf mehrere Übertragungsleitungen 30_1 bis 30_N verteilt, die mit der Anordnung des Resonator-Qubit-Systems 1520 verbunden sind. Die einzelnen Bandpassfilter 105_1 bis 105_N der Signalverteilereinheit 1000_1 sind jeweils (über Anschlüsse) mit Übertragungsleitungen 30_1 bis 30_N (auf der Ausleseseite) verbunden, so dass das Bandpassfilter 105_1 mit der Übertragungsleitung 30_1 (auf der Ausleseseite) verbunden ist, bis zum Bandpassfilter 105_N, das mit der Übertragungsleitung 30_N (auf der Ausleseseite) verbunden ist. Parallel dazu ist dementsprechend die Signalverteilereinheit 1000_1 so konfiguriert, dass sie das erste Mikrowellensignal mit der Ausleseresonatorfrequenz des Ausleseresonators 1555_1 über die Übertragungsleitung 30_1 zum Ausleseresonator 1555_1 leitet, um das zweite Mikrowellensignal mit der Ausleseresonatorfrequenz des Ausleseresonators 1555_2 über die Übertragungsleitung 30_2 zum Ausleseresonator 1555_2 zu leiten und um das letzte Mikrowellensignal mit der Ausleseresonatorfrequenz des Ausleseresonators 1555_N über die Übertragungsleitung 30_N zum Ausleseresonator 1555_N zu leiten. Das liegt daran, dass jedes der Bandpassfilter 105 im Voraus individuell so konfiguriert wird, dass es eine einzelne der Ausleseresonatorfrequenzen durchlässt, die mit einem einzelnen der Ausleseresonatoren 1555 für Mikrowellensignale übereinstimmt, so dass das Bandpassfilter 105_1 so konfiguriert wird, dass es das erste Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz des Ausleseresonators 1555_1 durchlässt, das Bandpassfilter 105_2 ist so konfiguriert wird, dass es das zweite Mikrowellensignal mit der Auslesefrequenz des Ausleseresonators 1555_2 durchlässt, bis zu dem letzten Bandpassfilter 105_N, das so konfiguriert wird, dass es das letzte Mikrowellensignal bei der Auslesefrequenz des Ausleseresonators 1555_N durchlässt. Dementsprechend bewirkt jedes erste bis letzte Mikrowellensignal jeweils bei einer Ausleseresonatorfrequenz der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N, dass sein jeweiliger Ausleseresonator 1555_1 bis 1555_N in Resonanz gerät, wodurch das erste bis letzte Mikrowellensignal über Übertragungsleitungen (gleichzeitig) übertragen werden, um die Signalverteilereinheit 1000_2 zu erreichen. Die Signalverteilereinheit 1000_2 verknüpft die ersten bis letzten Mikrowellensignale (der jeweiligen Ausleseresonatorfrequenzen der Ausleseresonatoren 1555_1 bis 1555_N) und gibt (gleichzeitig) die verknüpften reflektierten Mikrowellensignale über eine einzige Übertragungsleitung an den quantenlimitierten Breitbandverstärker 350 zum Verstärken und für eine spätere Messung aus.
Die internen Einzelheiten des supraleitenden Mikrowellensignalverteilers/Kontributors 1000_1 und 1000_2 können in der Erläuterung der supraleitenden Einheit des Mikrowellensignalverteilers/Kombinierers 1000 gefunden werden, die in den 10 bis 14 erfolgte.
Zu technischen Vorteilen des Systems 1800 in gehören 1) gleichzeitiges Auslesen der Ausleseresonatoren und 2) Zirkulatoren auf der Ausleseseite nicht erforderlich.
19 ist ein Ablaufplan 1900 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Systems 1500 zum Ansteuern und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Im Block 1905 ist ein erster verlustfreier Mikrowellenschalter 100_1 (in 15) mit einem Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) verbunden. Im Block 1910 kann ein zweiter verlustfreier Mikrowellenschalter 100_2 (in 15) mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_1 verbunden werden. Im Block 1915 kann ein quantenlimitierter Verstärker 350 mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 verbunden werden.
Ein Zirkulator 1505 wird so konfiguriert, dass er den ersten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_1 mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 in 15 verbindet. Der Zirkulator 1505 wird so konfiguriert, dass er einen Eingang IN1 mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_1 verbindet. Der zweite verlustfreie Mikrowellenschalter 100_2 wird so konfiguriert, dass er zwischen dem Verbinden mit dem quantenlimitierter Verstärker 350 und dem Verbinden mit einem Lastdump (load dump) 1510 in 15 wählt. Das Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) enthält ein erstes Qubit 1550_1, das an einem ersten Anschluss mit einem ersten Ausleseresonator 1555_1 verbunden ist, ein zweites Qubit 1550_2, das an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Ausleseresonator 1555_2 verbunden ist, bis zu einem letzten Qubit 1550_N, das an einem letzten Anschluss mit einem letzten Ausleseresonator 1555_N verbunden ist, wobei jedes von erstem bis letztem Qubit 1550_1 bis 1550_N jeweils eine erste bis letzte Qubit-Frequenz hat.
20 ist ein Ablaufplan 2000 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Systems 1600 zum Ansteuern und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. In 16 ist im Block 2005 ein erster verlustfreier Mikrowellenschalter 100_1 mit einem Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) verbunden, wobei ein erster Eingang IN1 mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_1 verbunden werden kann, und ein quantenlimitierter Verstärker 350 kann mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_1 verbunden werden. In 16 ist im Block 2010 ein zweiter verlustfreier Mikrowellenschalter 100_2 mit dem Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) verbunden, wobei ein zweiter Eingang IN2 mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 verbunden werden kann, wobei der zweite Eingang IN2 so konfiguriert ist, dass er das Quantensystem ansteuert, und der erste Eingang IN1 ist so konfiguriert, dass er das Quantensystem ausliest.
In 16 ist ein erster Zirkulator 1505_1 so konfiguriert, dass er den ersten Eingang IN1 mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_1 verbindet, und ist so konfiguriert, dass er den quantenlimitierter Verstärker 350 mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_1 verbindet. Ein zweiter Zirkulator 1505_2 ist so konfiguriert, dass er den zweiten Eingang IN2 mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 verbindet und einen Lastdump 1510 mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 in 16 verbindet. Das Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) enthält ein erstes Qubit 1550_1, das an einem ersten Anschluss mit einem ersten Ausleseresonator 1555_1 verbunden ist, ein zweites Qubit 1550_2, das an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Ausleseresonator 1555_2 verbunden ist, bis zu einem letzten Qubit 1550_N, das an einem letzten Anschluss mit einem letzten Ausleseresonator 1555_N verbunden ist. Jedes vom ersten bis letzten Qubit 1550_1 bis 1550_N hat jeweils eine erste bis letzte Qubit-Frequenz. Das erste bis letzte Qubit 1550_1 bis 1550_N werden über den zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 angesteuert, und der erste bis letzte Ausleseresonator 1555_1 bis 1555_N werden über den ersten verlustfreien Mikrowellenschalter 100_1 ausgelesen.
21 ist ein Ablaufplan 2100 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Systems 1700 zum Ansteuern und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Im Block 2105 ist ein verlustfreier Mikrowellensignalverteiler 1000_1 mit einem Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) verbunden, wobei ein erster Eingang IN1 mit dem verlustfreien Mikrowellensignalverteiler 1000_1 in 17 verbunden werden kann. Im Block 2110 ist ein verlustfreier Mikrowellenschalter 100_2 mit dem Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) verbunden, wobei ein zweiter Eingang IN2 mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 verbunden werden kann. Der zweite Eingang IN2 wird so konfiguriert, dass er das Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) über den verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 ansteuert, und der erste Eingang IN1 wird so konfiguriert, dass er das Quantensystem über den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler 1000_1 ausliest.
Ein erster Zirkulator 1505_1 wird so konfiguriert, dass er den ersten Eingang IN1 mit dem verlustfreien Mikrowellensignalverteiler 1000_1 verbindet, und wird so konfiguriert, dass er einen quantenlimitierter Verstärker 350 mit dem verlustfreien Mikrowellensignalverteiler 1000_1 in 17 verbindet. Ein zweiter Zirkulator 1505_2 wird so konfiguriert, dass er den zweiten Eingang IN2 mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 verbindet und einen Lastdump 1510 mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 verbindet. Das Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) enthält ein erstes Qubit 1550_1, das an einem ersten Anschluss mit einem ersten Ausleseresonator 1555_1 verbunden ist, ein zweites Qubit 1550_2, das an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Ausleseresonator 1550_2 verbunden ist, bis zu einem letzten Qubit 1550_N, das an einem letzten Anschluss mit einem letzten Ausleseresonator 1555_N verbunden ist. Jedes von erstem bis letztem Qubit 1550_1 bis 1550_N hat jeweils eine erste bis letzte Qubit-Frequenz. Das erste bis letzte Qubit 1550_1 bis 1550_N werden über den verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 angesteuert, während der erste bis letzte Ausleseresonator 1555_1 bis 1555_N über den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler 1000_1 ausgelesen werden.
22 ist ein Ablaufplan 2200 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Systems 1800 zum Ansteuern und Auslesen von Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Im Block 2205 ist ein verlustfreier Mikrowellensignalverteiler 1000_1 mit einem Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) verbunden, wobei ein erster Eingang IN1 mit dem verlustfreien Mikrowellensignalverteiler 1000_1 von 18 verbunden ist. Im Block 2210 ist ein verlustfreier Mikrowellenschalter 100_2 mit dem Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) verbunden, wobei ein zweiter Eingang IN2 mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 von 18 verbunden werden kann. Der zweite Eingang IN2 wird so konfiguriert, dass er das Quantensystem über den verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 ansteuert. Im Block 2215 ist ein verlustfreier Mikrowellensignal-Kombinierer 1000_2 mit dem Quantensystem verbunden, wobei der erste Eingang IN1 so konfiguriert wird, dass er das Quantensystem über den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler 1000_1 und den verlustfreien Mikrowellensignal-Kombinierer 1000_2 von 2 ausliest.
Ein quantenlimitierter Verstärker 350 ist mit dem verlustfreien Mikrowellensignal-Kombinierer 1000_2 verbunden, um die übertragenen Mikrowellensignale der Ausleseimpulse zu verstärken. Ein Zirkulator 1505_2 wird so konfiguriert, dass er den zweiten Eingang IN2 mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 verbindet und einen Lastdump 1510 mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 von 18 verbindet. Das Quantensystem (z.B. die Anordnung von Resonator-Qubit-Systemen 1520) enthält ein erstes Qubit 1550_1, das an einem ersten Anschluss mit einem ersten Ausleseresonator 1555_1 verbunden ist, ein zweites Qubit 1550_2, das an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Ausleseresonator 1555_2 verbunden ist, bis zu einem letzten Qubit 1550_N, das an einem letzten Anschluss mit einem letzten Ausleseresonator 1555_N verbunden ist, wobei jedes von erstem bis letztem Qubit 1550_1 bis 1550_N jeweils eine erste bis letzte Qubit-Frequenz hat. Das erste bis letzte Qubit 1550_1 bis 1550_N werden über den verlustfreien Mikrowellenschalter 100_2 angesteuert. Jeder von erstem bis letztem Ausleseresonator 1555_1 bis 1555_N kann gleichzeitig über den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler 1000_1 und den verlustfreien Mikrowellensignalkombinierer 1000_2 ausgelesen werden.
Der Ausdruck „etwa“ und Variationen davon sollen den Fehlergrad bei der Messung der bestimmten Größe auf der Grundlage der Ausrüstung beinhalten, die zum Zeitpunkt der Einreichung der Anmeldung verfügbar war. Zum Beispiel kann „etwa“ einen Bereich von ± 8% oder 5% oder 2% einer gegebenen Größe enthalten.
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind hier unter Bezugnahme auf Ablaufplan-Darstellungen und/oder Blockschaubilder von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich, dass jeder Block der Ablaufplan-Darstellungen und/oder Blockschaubilder und der Kombinationen von Blöcken in den Ablaufplan-Darstellungen und/oder Blockschaubildern durch von einem Computer lesbaren Programmanweisungen implementiert werden kann.
Der Ablaufplan und die Blockschaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und Operation von möglichen Umsetzungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in dem Ablaufplan oder in Blockschaubildern ein Modul, Segment oder Abschnitt von Befehlen repräsentieren, der einen oder mehrere ausführbare Befehle zum Umsetzen der spezifizierten logischen Funktion(en) aufweist. Bei einigen alternativen Umsetzungen können die in dem Block angegebenen Funktionen möglicherweise nicht in der in den Figuren angegebenen Reihenfolge auftreten. Zum Beispiel können zwei Blöcke, die nacheinander gezeigt sind, tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder die Blöcke können gelegentlich in Abhängigkeit von der beteiligten Funktionalität in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden. Es wird außerdem angemerkt, dass jeder Block in den Blockschaubildern und/oder Ablaufplan-Darstellungen und Kombinationen von Blöcken in den Blockschaubildern und/oder der Ablaufplan-Darstellung durch Systeme, die auf spezieller Hardware beruhen, die die spezifizierten Funktionen oder Wirkungen ausführen, oder Kombinationen aus spezieller Hardware und Computerbefehlen umgesetzt werden können.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden für Zwecke der Erläuterung dargestellt, es ist jedoch nicht vorgesehen, dass sie für die offenbarten Ausführungsformen erschöpfend oder einschränkend sein sollen. Viele Modifikationen und Variationen werden einem Fachmann offensichtlich erscheinen, ohne vom Umfang und Erfindungsgedanken der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hier verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserungen gegenüber am Markt vorhandenen Technologien am besten zu erläutern oder um andere Fachleute zu befähigen, die hier offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

System zum Ansteuern und Auslesen von Qubits, wobei das System aufweist: einen ersten verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit einem Quantensystem verbunden ist; einen zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter verbindbar ist; und einen quantenlimitierten Verstärker, der mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter verbindbar ist.
System nach Anspruch 1, das ferner einen Zirkulator aufweist, der zum Verbinden des ersten verlustfreien Mikrowellenschalters mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter konfiguriert ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Zirkulator so konfiguriert ist, dass er einen Eingang mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter verbindet.
System nach Anspruch 1, wobei der zweite verlustfreie Mikrowellenschalter so konfiguriert ist, dass er zwischen Verbinden mit dem quantenlimitierten Verstärker und Verbinden mit einem Lastdump wählt.
System nach Anspruch 1, wobei das Quantensystem ein erstes Qubit enthält, das an einem ersten Anschluss mit einem ersten Ausleseresonator verbunden ist, ein zweites Qubit, das an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Ausleseresonator verbunden ist, bis zu einem letzten Qubit, das an einem letzten Anschluss mit einem letzten Ausleseresonator verbunden ist, wobei jedes von den ersten bis letzten Qubits jeweils eine von erster bis letzter Qubit-Frequenz hat.
System zum Ansteuern und Auslesen von Qubits, wobei das System aufweist: einen ersten verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit einem Quantensystem verbunden ist, wobei ein erster Eingang mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter verbindbar ist und ein quantenlimitierter Verstärker mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter verbindbar ist; und einen zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit dem Quantensystem verbunden ist, wobei ein zweiter Eingang mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter verbindbar ist, wobei der zweite Eingang zum Ansteuern des Quantensystems konfiguriert ist und der erste Eingang zum Auslesen des Quantensystems konfiguriert ist.
System nach Anspruch 6, das ferner einen ersten Zirkulator aufweist, der zum Verbinden des ersten Eingangs mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter konfiguriert ist und zum Verbinden des quantenlimitierten Verstärkers mit dem ersten verlustfreien Mikrowellenschalter konfiguriert ist.
System nach Anspruch 7, wobei ein zweiter Zirkulator zum Verbinden des zweiten Eingangs mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter und zum Verbinden eines Lastdump mit dem zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter konfiguriert ist.
System nach Anspruch 6, wobei das Quantensystem ein erstes Qubit enthält, das an einem ersten Anschluss mit einem ersten Ausleseresonator verbunden ist, ein zweites Qubit, das an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Ausleseresonator verbunden ist, bis ein letztes Qubit enthält, das an einem letzten Anschluss mit einem letzten Ausleseresonator verbunden ist, wobei jedes von den ersten bis letzten Qubits jeweils eine von erster bis letzter Qubit-Frequenz hat.
System nach Anspruch 9, wobei das erste bis letzte Qubit über den zweiten verlustfreien Mikrowellenschalter angesteuert werden; und wobei der erste bis letzte Ausleseresonator über den ersten verlustfreien Mikrowellenschalter ausgelesen werden.
System zum Ansteuern und Auslesen von Qubits, wobei das System aufweist: einen verlustfreien Mikrowellensignalverteiler, der mit einem Quantensystem verbunden ist, wobei ein erster Eingang mit dem verlustfreien Mikrowellensignalverteiler verbindbar ist; und einen verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit dem Quantensystem verbunden ist, wobei ein zweiter Eingang mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter verbindbar ist, wobei der zweite Eingang zum Ansteuern des Quantensystems über den verlustfreien Mikrowellenschalter konfiguriert ist und der erste Eingang zum Auslesen des Quanten Systems über den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler konfiguriert ist.
System nach Anspruch 11, das ferner einen ersten Zirkulator aufweist, der zum Verbinden des ersten Eingangs mit dem verlustfreien Mikrowellensignalverteiler konfiguriert ist, und zum Verbinden eines quantenlimitierten Verstärkers mit dem verlustfreien Mikrowellensignalverteiler konfiguriert ist.
System nach Anspruch 12, wobei ein zweiter Zirkulator zum Verbinden des zweiten Eingangs mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter und zum Verbinden eines Lastdump mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter konfiguriert ist.
System nach Anspruch 11, wobei das Quantensystem ein erstes Qubit, das an einem ersten Anschluss mit einem ersten Ausleseresonator verbunden ist, ein zweites Qubit, das an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Ausleseresonator verbunden ist, bis ein letztes Qubit enthält, das an einem letzten Anschluss mit einem letzten Ausleseresonator verbunden ist, wobei jedes von dem ersten bis zum letzten Qubit jeweils eine erste bis letzte Qubit-Frequenz hat.
System nach Anspruch 14, wobei das erste bis letzte Qubit über den verlustfreien Mikrowellenschalter angesteuert werden; und wobei der erste bis letzte Ausleseresonator über den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler ausgelesen werden.
System zum Ansteuern und Auslesen von Qubits, wobei das System aufweist: einen verlustfreien Mikrowellensignalverteiler, der mit einem Quantensystem verbunden ist, wobei ein erster Eingang mit dem verlustfreien Mikrowellensignalverteiler verbunden ist; einen verlustfreien Mikrowellenschalter, der mit dem Quantensystem verbunden ist, wobei ein zweiter Eingang mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter verbindbar ist, wobei der zweite Eingang zum Ansteuern des Quantensystems über den verlustfreien Mikrowellenschalter konfiguriert ist; und einen verlustfreien Mikrowellensignal-Kombinierer, der mit dem Quantensystem verbunden ist, wobei der erste Eingang zum Auslesen des Quantensystems über den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler und den verlustfreien Mikrowellensignal-Kombinierer konfiguriert ist.
System nach Anspruch 16, das ferner einen quantenlimitierten Verstärker aufweist, der mit dem verlustfreien Mikrowellensignal-Kombinierer verbunden ist.
System nach Anspruch 16, wobei ein Zirkulator zum Verbinden des zweiten Eingangs mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter und zum Verbinden eines Lastdump mit dem verlustfreien Mikrowellenschalter konfiguriert ist.
System nach Anspruch 16, wobei das Quantensystem ein erstes Qubit, das an einem ersten Anschluss mit einem ersten Ausleseresonator verbunden ist, ein zweites Qubit, das an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Ausleseresonator verbunden ist, bis ein letztes Qubit enthält, das an einem letzten Anschluss mit einem letzten Ausleseresonator verbunden ist, wobei jedes von den ersten bis letzten Qubits jeweils eine von erster bis letzter Qubit-Frequenz hat.
System nach Anspruch 19, wobei das erste bis letzte Qubit über den verlustfreien Mikrowellenschalter angesteuert werden; und wobei jeder von den ersten bis letzten Ausleseresonatoren gleichzeitig über den verlustfreien Mikrowellensignalverteiler und den verlustfreien Mikrowellensignal-Kombinierer ausgelesen wird.