DE112017003042T5

DE112017003042T5 - Verlustfreier Mikrowellenschalter auf der Grundlage von abstimmbaren Filtern zur Quanten-Informationsverarbeitung

Info

Publication number: DE112017003042T5
Application number: DE112017003042.0T
Authority: DE
Inventors: Baleegh Abdo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: GB2570597B; DE112017003042B4; GB2570597A; JP7306988B2; US20180091115A1; CN109643980A; JP2019533303A; WO2018055460A1; US9787278B1; GB201905555D0; US9966926B2

Abstract

Eine Technik bezieht sich auf einen hier erläuterten verlustfreien Mikrowellenschalter. Der verlustfreie Mikrowellenschalter enthält mehrere Anschlüsse. Abstimmbare Filter sind im verlustfreien Mikrowellenschalter enthalten. Jeder der Anschlüsse ist funktionsmäßig mit einem entsprechenden der abstimmbaren Filter verbunden.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf supraleitende elektronische Einheiten und insbesondere verlustfreie Mikrowellenschalter und/oder -router, die auf der Grundlage von abstimmbaren Filtern beruhen, zur Quanten-Informationsverarbeitung
Bei einem Hochfrequenz- (HF-) und Mikrowellenschalter handelt es sich um eine Einheit zum Leiten von Hochfrequenzsignalen über Übertragungswege. HF- und Mikrowellenschalter werden in Mikrowellentestsystemen häufig für die Signalführung zwischen Instrumenten und Einheiten verwendet. Durch das Einschließen eines Schalters in ein Schalter-Matrix-System können Signale von mehreren Instrumenten an einzelne oder mehrere Einheiten geleitet werden. Ähnlich wie bei elektrischen Schaltern sind HF- und Mikrowellenschalter in verschiedenen Konfigurationen erhältlich und stellen die Flexibilität bereit, komplexe Matrizen und automatisierte Testsysteme für viele verschiedene Anwendungen zu erstellen.
Bei Quanteninformationen handelt es sich in Physik und Informatik um Informationen, die in dem Zustand eines Quantensystems enthalten sind. Quanteninformationen sind die grundlegende Entität der Studie in der Quanteninformationstheorie und können unter Verwendung von Ingenieurtechniken manipuliert werden, die als Quanteninformationsverarbeitung bekannt sind. So wie klassische Informationen mit Digitalcomputern verarbeitet, von Ort zu Ort übertragen, mit Algorithmen manipuliert und mit der Mathematik der Informatik analysiert werden können, gelten für Quanteninformationen analoge Konzepte. Quantensysteme wie supraleitende Qubits sind sehr empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, insbesondere im Mikrowellen- und Infrarotbereich.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein verlustfreier Mikrowellenschalter bereitgestellt. Der verlustfreie Mikrowellenschalter enthält eine Mehrzahl von Anschlüssen und abstimmbaren Filtern. Jeder aus der Mehrzahl von Anschlüssen ist funktionsmäßig mit einem entsprechenden der abstimmbaren Filter verbunden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Konfigurieren eines verlustfreien Mikrowellenschalters bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen mehrerer Anschlüsse und Bereitstellen abstimmbarer Filter. Jeder aus der Mehrzahl von Anschlüssen ist funktionsmäßig mit einem entsprechenden der abstimmbaren Filter verbunden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein verlustfreier Mikrowellenschalter bereitgestellt. Der verlustfreie Mikrowellenschalter enthält eine Mehrzahl von Anschlüssen und einstellbaren Filtern. Jeder aus der Mehrzahl von Anschlüssen ist einem der einstellbaren Filter zugehörig. Jedes der abstimmbaren Filter enthält eine supraleitende Quanteninterferenzeinheit.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein verlustfreier Mikrowellenschalter bereitgestellt. Der verlustfreie Mikrowellenschalter enthält einen Knoten und abstimmbare Filter, die mit dem Knoten verbunden sind. Die abstimmbaren Filter sind so konfiguriert, dass sie unabhängig auf einen ersten Zustand zum Übertragen eines Signals abgestimmt werden können und dass sie unabhängig auf einen zweiten Zustand eingestellt werden, um das Signal zu sperren, so dass eines der abstimmbaren Filter so konfiguriert ist, dass es das Signal über den Knoten an ein anderes der abstimmbaren Filter übertragen kann.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein verlustfreier Mikrowellenschalter bereitgestellt. Der verlustfreie Mikrowellenschalter enthält eine Mehrzahl von Anschlüssen. Ein erstes Paar aus der Mehrzahl von Anschlüssen hat ein abstimmbares Filter, das dazwischengeschaltet ist, wobei das abstimmbare Filter zum Übertragen eines Mikrowellensignals konfiguriert ist. Zwischen ein zweites Paar aus der Mehrzahl von Anschlüssen ist ein weiteres abstimmbares Filter geschaltet, wobei das weitere abstimmbare Filter zum Reflektieren des Mikrowellensignals konfiguriert ist.
Bei Betrachtung der vorliegenden Erfindung nach einem anderen Aspekt, wird nun ein verlustfreier Mikrowellenschalter bereitgestellt, der aufweist: eine Mehrzahl von Anschlüssen; und abstimmbare Filter, wobei jeder aus der Mehrzahl von Anschlüssen einem der abstimmbaren Filter zugehörig ist, wobei jedes der abstimmbaren Filter eine supraleitende Quanteninterferenzeinheit enthält.
Bei den abstimmbaren Filtern kann es sich um Tiefpassfilter handeln. Alternativ kann es sich bei den abstimmbaren Filtern um Hochpassfilter handeln.
Bei Betrachtung der vorliegenden Erfindung nach einem nochmals anderen Aspekt wird nun ein verlustfreier Mikrowellenschalter bereitgestellt, der aufweist: einen Knoten; und abstimmbare Filter, die mit dem Knoten verbunden sind, wobei die abstimmbaren Filter so konfiguriert sind, dass sie unabhängig auf einen ersten Zustand abgestimmt werden können, um ein Signal zu übertragen, und dass sie unabhängig auf einen zweiten Zustand eingestellt werden können, um das Signal zu sperren, so dass eines der abstimmbaren Filter so konfiguriert ist, dass es das Signal an ein anderes der einstellbaren Filter über den Knoten überträgt.
Vorzugsweise sind das eine der abstimmbaren Filter und das andere der abstimmbaren Filter so konfiguriert, dass sie sich im ersten Zustand befinden, während alle übrigen der abstimmbaren Filter so konfiguriert sind, dass sie sich im zweiten Zustand befinden, wodurch das Signal von dem einem der abstimmbaren Filter an das andere der abstimmbaren Filter über den Knoten übertragen werden kann.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
2 ist eine Blockdarstellung des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers von 1;
3 ist eine schematische Darstellung des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, die Transmission als Betriebsart veranschaulicht;
4 ist eine schematische Darstellung des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, die Reflexion als Betriebsart veranschaulicht;
5 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
6 ist eine Blockdarstellung des supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers von 5;
7 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
8 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
9 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers mit N Anschlüssen, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
10 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
11 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, der die vorliegende Erfindung verkörpert;
12 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, der die vorliegende Erfindung verkörpert; und,
13 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers, der die vorliegende Erfindung verkörpert.

GENAUE BESCHREIBUNG
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung 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.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, ermöglichen supraleitende (oder verlustfreie) Mikrowellenschalter/Router, 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.
In den Figuren ist 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 der vorliegenden Erfindung. 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 Transmission 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 MikrowellenSchalters/Routers 100, die die Betriebsart Transmission gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung 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 übertragen, so dass das Mikrowellensignal 305 wie gewünscht ausgegeben wird.
4 ist eine schematische Darstellung des supraleitenden MikrowellenSchalters/Routers 100, die die Betriebsart Reflexion gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung 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 der vorliegenden Erfindung. 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 die 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 eine 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 Ausführungsformender vorliegenden Erfindung. 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, der auf die Schleife einwirkt, 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 $L_{J 3} = \frac{L_{J 0}}{| c o s (π \frac{Φ_{3}}{Φ_{0}}) |}, wobei L_{J 0} = \frac{Φ_{0}}{4 π I_{0}},$
wobei I₀ der kritische Strom der (zwei) Josephson-Übergänge 710 ist, wobei Φ₃ der magnetische Vorspannungsfluss ist, der auf die Schleife einwirkt, 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 ein 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 klar sein, 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 der vorliegenden Erfindung. 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 vorliegenden Erfindung. 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 (flux bias points) 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).
10 ist ein Ablaufplan 1000 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines verlustfreien/supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es kann auf die hier erläuterten 1 bis 9 verwiesen werden.
Im Block 1005 wird eine Mehrzahl von Anschlüssen 10 bereitgestellt. Im Block 1010 werden abstimmbare Filter 20 bereitgestellt und mit den Anschlüssen 10 verbunden, so dass jeder aus der Mehrzahl von Anschlüssen 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.
Die abstimmbaren Filter 20 enthalten supraleitenden Werkstoff. Zu beispielhaften supraleitenden Werkstoffen bei supraleitenden Temperaturen (z.B. 10 bis 100 Millikelvin (mK) oder 4 K) können Niob, Aluminium, Tantal usw. gehören.
Bei den abstimmbaren Filtern 20 kann es sich um abstimmbare verlustfreie Tiefpassfilter handeln. Jeder aus der Mehrzahl von Anschlüssen 10 (z.B. Anschluss 1) ist so konfiguriert, dass er ein Mikrowellensignal 305 an einen beliebigen anderen aus der Mehrzahl von Anschlüssen 10 (Anschluss 2) sendet. Das entsprechende der abstimmbaren Filter 20 für den einen aus der Mehrzahl von Anschlüssen 10 und das entsprechende der abstimmbaren Filter 20 für einen beliebigen anderen aus der Mehrzahl von Anschlüssen 10 sind beide so konfiguriert, dass sie zum Übertragen (d.h. in der Betriebsart Transmission) des Signals 305 abgestimmt sind, während alle anderen der abstimmbaren Filter 20 so konfiguriert sind, dass sie abgestimmt werden, um das Signal zu sperren. Jedes der verlustfreien Tiefpassfilter enthält ein oder mehrere Gleichstrom-SQUIDS, die in Reihe mit einem Mittelleiter einer Übertragungsleitung angeordnet sind und von einem Kondensator zur Masse geschaltet sind. Es versteht sich, dass eine Übertragungsleitung, wie beispielsweise ein Koaxialkabel, einen Mittelleiter und einen Außenleiter hat.
11 ist ein Ablaufplan 1100 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines verlustfreien/supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es kann auf die hier erläuterten 1 bis 9 verwiesen werden.
Im Block 1105 wird eine Mehrzahl von Anschlüssen 10 bereitgestellt. Im Block 1110 werden abstimmbare Filter 20 mit der Mehrzahl von Anschlüssen 10 verbunden, wobei jeder Anschluss aus der Mehrzahl von Anschlüssen 10 einem der abstimmbaren Filter 20 zugehörig 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.
12 ist ein Ablaufplan 1200 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines verlustfreien/supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Es kann auf die hier erläuterten 1 bis 9 verwiesen werden.
Im Block 1205 wird ein Knoten 905 ist als zentraler Verbindungspunkt vorgesehen. Im Block werden abstimmbare Filter 20 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.
Jedes der abstimmbaren Filter 20 und jedes der anderen abstimmbaren Filter 20 sind beide so konfiguriert, dass sie in dem ersten Zustand sind, während alle übrigen abstimmbaren Filter 20 so konfiguriert sind, dass sie im zweiten Zustand sind, wodurch ermöglicht wird, dass das Mikrowellensignal 305 von jedem der abstimmbaren Filter 20 zu jedem anderen der abstimmbaren Filter 20 über den Knoten 905 übertragen werden kann.
13 ist ein Ablaufplan 1300 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines verlustfreien/supraleitenden Mikrowellenschalters/Routers 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es kann auf die hier erläuterten 1 bis 9 verwiesen werden.
Im Block 1305 wird eine Mehrzahl von Anschlüssen 10 bereitgestellt. Im Block 1310 hat ein erstes Paar aus der Mehrzahl von Anschlüssen 10 mindestens ein abstimmbares Filter 20, das dazwischengeschaltet ist, wobei das abstimmbare Filter 20 so konfiguriert ist, dass es ein Mikrowellensignal 305 überträgt. Im Block 1315 hat ein zweites Paar aus der Mehrzahl von Anschlüssen 10 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.
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 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

Verlustfreier Mikrowellenschalter, der aufweist: eine Mehrzahl von Anschlüssen; und abstimmbare Filter, wobei jeder aus der Mehrzahl von Anschlüssen funktionsmäßig mit einem entsprechenden der abstimmbaren Filter verbunden ist; wobei es sich bei den abstimmbaren Filtern um verlustfreie Tiefpassfilter handelt.
Verlustfreier Mikrowellenschalter nach Anspruch 1, wobei die abstimmbaren Filter mit einem Knoten verbunden sind.
Verlustloser Mikrowellenschalter nach Anspruch 1, der ferner eine Mehrzahl von Magnetfluss-Erzeugungsleitungen aufweist; wobei eine einzelne aus der Mehrzahl von Magnetfluss-Erzeugungsleitungen ein einzelnes der abstimmbaren Filter auf einer Eins-zu-Eins-Basis abstimmt; oder wobei eine oder mehrere Magnetfluss-Erzeugungsleitungen aus der Mehrzahl von Magnetfluss-Erzeugungsleitungen dazu beitragen, das einzelne der abstimmbaren Filter abzustimmen.
Verlustfreier Mikrowellenschalter nach Anspruch 1, der ferner eine Mehrzahl von Magnetquellen aufweist, so dass eine einzelne aus der Mehrzahl von Magnetquellen ein einzelnes der abstimmbaren Filter auf einer Eins-zu-Eins-Basis abstimmt.
Verlustfreier Mikrowellenschalter nach Anspruch 1, wobei die abstimmbaren Filter supraleitenden Werkstoff aufweisen.
Verlustfreier Mikrowellenschalter nach Anspruch 1, wobei jedes der verlustfreien Tiefpassfilter ein oder mehrere Supraleitende Gleichstrom - Quanteninterferenzeinheiten (DC SQUIDS) enthält, die mit einem Mittelleiter einer Übertragungsleitung in Reihe geschaltet und durch einen Kondensator mit Masse verbunden sind.
Verlustfreier Mikrowellenschalter nach Anspruch 1, wobei es sich bei den abstimmbaren Filtern um verlustfreie Hochpassfilter handelt.
Verlustfreier Mikrowellenschalter nach Anspruch 7, wobei jedes der verlustfreien Hochpassfilter einen Kondensator enthält, der von einer oder mehreren DC-SQUIDS überbrückt wird.
Verlustfreier Mikrowellenschalter nach Anspruch 1, wobei jeder aus der Mehrzahl von Anschlüssen so konfiguriert ist, dass er ein Signal an einen beliebigen anderen aus der Mehrzahl von Anschlüssen überträgt.
Verlustfreier Mikrowellenschalter nach Anspruch 9, wobei das entsprechende der abstimmbaren Filter für einen von der Mehrzahl von Anschlüssen und das entsprechende der abstimmbaren Filter für einen beliebigen anderen von der Mehrzahl von Anschlüssen beide konfiguriert sind, um so abgestimmt zu werden, dass sie das Signal übertragen, während alle anderen der abstimmbaren Filter so konfiguriert sind, dass sie das Signal sperren.
Verfahren zum Konfigurieren eines verlustlosen Mikrowellenschalters, wobei das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen einer Mehrzahl von Anschlüssen; und Bereitstellen von abstimmbaren Filtern, so dass jedes von der Mehrzahl von Filtern funktionsmäßig mit einem entsprechenden der abstimmbaren Filter verbunden ist; wobei es sich bei den abstimmbaren Filtern um verlustfreie Tiefpassfilter handelt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die abstimmbaren Filter mit einem Knoten verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner ein Bereitstellen mehrerer Magnetfluss-Erzeugungsleitungen beinhaltet; wobei eine einzelne aus der Mehrzahl von Magnetfluss-Erzeugungsleitungen ein einzelnes der einstellbaren Filter auf einer Eins-zu-Eins-Basis abstimmt; oder wobei eine oder mehrere Magnetfluss-Erzeugungsleitungen aus der Mehrzahl von Magnetfluss-Erzeugungsleitungen dazu beitragen, das einzelne der abstimmbaren Filter abzustimmen.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner ein Bereitstellen einer Mehrzahl von Magnetquellen beinhaltet, so dass eine einzelne aus der Mehrzahl von Magnetquellen ein einzelnes der abstimmbaren Filter auf einer Eins-zu-Eins-Basis abstimmt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die abstimmbaren Filter supraleitenden Werkstoff aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein beliebiger aus der Mehrzahl von Anschlüssen so konfiguriert ist, dass er ein Signal an einen beliebigen anderen aus der Mehrzahl von Anschlüssen überträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das entsprechende der abstimmbaren Filter für einen der mehreren Anschlüsse und das entsprechende der abstimmbaren Filter für einen beliebigen anderen der mehreren Anschlüsse beide so konfiguriert sind, dass sie zum Übertragen des Signals abgestimmt sind, während alle anderen der abstimmbaren Filter so konfiguriert sind, dass sie zum Blockieren des Signals abgestimmt sind.