DE112017003719T5

DE112017003719T5 - Detektion von einzelnen Mikrowellen-Photonen unter Verwendung eines zerstörungsfreien Quanten-Photonendetektors

Info

Publication number: DE112017003719T5
Application number: DE112017003719.0T
Authority: DE
Inventors: Baleegh Abdo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2019-05-16
Also published as: GB201905374D0; WO2018069908A1; US20180101785A1; JP6941166B2; JP2019534555A; US9818064B1; GB2569511B; CN110050383A; CN110050383B; US10210460B2; GB2569511A

Abstract

Eine Technik bezieht sich auf eine Mikrowellenerfassungseinheit. Ein zerstörungsfreier Mikrowellen-Photonendetektor (100) ist mit einem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler (210) verbunden. Ein dispersives nichtlineares Element ist mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler verbunden.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf supraleitende elektronische Einheiten und insbesondere auf eine hochgenaue Schwellenwerterfassung von einzelnen Mikrowellenphotonen unter Verwendung eines zerstörungsfreien Quanten-Photonendetektors.
Nach dem Stand der Technik werden im optischen Frequenzbereich zuverlässige Einzelphotonendetektoren wie beispielsweise Photomultiplier, kinetische Mikrowellen-Induktivitätsdetektoren und supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren in verschiedenen Experimenten und Anwendungen weitverbreitet eingesetzt. Ein Nachteil dieser Einheiten besteht jedoch darin, dass sie die von ihnen detektierten Photonen zerstören (d.h. absorbieren). Im Mikrowellenbereich, d.h. im Gigahertz- (GHz-) Bereich, werden dagegen zuverlässige und praktische Einzelphotonendetektoren derzeit noch erforscht und entwickelt.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Mikrowellenerfassungseinheit bereitgestellt. Die Mikrowellenerfassungseinheit enthält einen zerstörungsfreien Mikrowellen-Quantenphotonendetektor, einen Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler, der mit dem zerstörungsfreien Mikrowellen-Quantenphotonendetektor verbunden ist, und ein dispersives nichtlineares Element, das mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler gekoppelt ist.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Bilden einer Mikrowellenerfassungseinheit bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonendetektors, Bereitstellen eines Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers, der mit dem zerstörungsfreien Mikrowellen-Quantenphotonendetektor verbunden ist, und Bereitstellen eines dispersiven nichtlinearen Elements, das mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler gekoppelt ist.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Detektieren eines Mikrowellenphotons bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Empfangen eines reflektierten Mikrowellensignals von einer zerstörungsfreien Quanten-Mikrowelleneinheit durch einen Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler. Das Verfahren beinhaltet auch Feststellen eines Vorhandenseins des Mikrowellenphotons auf der Grundlage eines dispersiven nichtlinearen Elements, das sich in einem Spannungszustand befindet. Das dispersive nichtlineare Element ist mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler verbunden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Erkennen der Abwesenheit eines Mikrowellenphotons bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Empfangen eines reflektierten Mikrowellensignals von einer zerstörungsfreien Quanten-Mikrowelleneinheit durch einen Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler. Das Verfahren beinhaltet auch Feststellen der Abwesenheit des Mikrowellenphotons auf der Grundlage eines dispersiven nichtlinearen Elements, das sich in einem Nullspannungszustand befindet. Das dispersive nichtlineare Element ist mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler verbunden.
In Ausführungsformen weist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler vier Anschlüsse auf, wobei einer der vier Anschlüsse mit dem zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonendetektor verbunden ist und ein anderer der vier Anschlüsse mit dem nichtlinearen dispersiven Element verbunden ist.
Figurenliste

1A ist eine schematische Darstellung einer Mikrowelleneinheit gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
1B ist eine schematische Darstellung der Pump-Ersatzschaltung der Mikrowelleneinheit, wie sie durch den Pumpanschluss gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gesehen (oder davon beeinflusst) wird.
1C ist eine schematische Darstellung der Signal-Ersatzschaltung der Mikrowelleneinheit, wie sie von dem Quantensignalanschluss gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gesehen wird.
2 ist eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
3 ist eine schematische Darstellung eines Systems, die die Funktionsweise zeigt, wenn kein Eingangssignal von Photonen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen vorliegt.
4 ist eine schematische Darstellung des Systems, die die Funktionsweise zeigt, wenn ein Eingangssignal von Photonen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen vorliegt.
5 ist eine schematische Darstellung des Systems, die die Detektion eines Einzel-Mikrowellenphotons in situ gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung des Systems, die die Detektion eines Einzel-Mikrowellenphotons in situ gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt.
7 ist eine schematische Darstellung des Systems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen, bei dem kein Eingangssignalphoton vorliegt.
8 ist ein Graph, der die Wirkung des zerstörungsfreien Photonendetektors von 7 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kennzeichnet.
9 ist eine schematische Darstellung des Systems, die ein Empfangen eines Eingangssignalphotons gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt.
10 ist ein Graph, der die Wirkung des zerstörungsfreien Photonendetektors von 9 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kennzeichnet.
11 ist eine schematische Darstellung des Systems, die eine Nutzung von Welleninterferenz in dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt.
12 ist eine schematische Darstellung des Systems, die eine Nutzung von Welleninterferenz in dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt.
13 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Bilden einer Mikrowellenerfassungseinheit zur Schwellenerfassung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
14 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Detektieren eines Mikrowellenphotons gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
15 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Detektieren einer Abwesenheit eines Mikrowellenphotons 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. Beispielhaft 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.
Ein Photon ist ein Elementarteilchen, das zusammen mit allen anderen Formen elektromagnetischer Strahlung ein Lichtquant ist. Ein Photon trägt Energie proportional zur Strahlungsfrequenz und hat eine Ruhemasse von Null. Ein Grund, warum die Detektion einzelner Mikrowellenphotonen eine Herausforderung darstellt, besteht darin, dass die Energie eines einzelnen Mikrowellenphotons sehr gering ist. Die Energie eines Photons im Mikrowellenbereich zum Beispiel im Bereich von 1 bis 10 Gigahertz (GHz) ist mindestens 10⁴-mal geringer als die Energie eines Photons sichtbaren Lichts.
Bei der Quantenelektrodynamik von Schaltkreisen (cQED) handelt es sich um eine der führenden Architekturen zum Realisieren eines Quantencomputers, der auf supraleitenden Mikrowellenschaltkreisen beruht. Es werden künstliche Atome aus nichtlinearen supraleitenden Einheiten verwendet, die als Qubits bezeichnet werden, die mit Mikrowellenresonatoren dispersiv gekoppelt sind, d.h., die Frequenzen der Qubits und der Resonatoren werden verstimmt. Beispielsweise kann jedes supraleitende Qubit einen oder mehrere Josephson-Übergänge enthalten, bei denen parallel zu den Übergängen Kondensatoren geschaltet werden. Die Qubits sind kapazitiv an planare zweidimensionale (2D-) Wellenleiterresonatoren oder dreidimensionale (3D-) Mikrowellenhohlräume gekoppelt. Die dem Qubit zugehörige elektromagnetische Energie wird in den Josephson-Übergängen und in den kapazitiven und induktiven Elementen, die das Qubit bilden, gespeichert. Gegenwärtig liegt ein Hauptaugenmerk auf der Verbesserung der Lebensdauer der Qubits, damit Berechnungen (d.h. Manipulation und Auslesen) stattfinden können, bevor die Informationen aufgrund der Dekohärenz der Qubits verloren gehen.
Dispersives Koppeln eines supraleitenden Qubits an einen Mikrowellenresonator in einer cQED- Architektur lädt den Resonator und macht seine Resonanzfrequenz vom Quantenzustand des Qubits abhängig (d.h., die Resonanzfrequenz des Resonators ist unterschiedlich, abhängig davon, ob das Qubit im Grundzustand oder im angeregten Zustand ist). Diese Eigenschaft ermöglicht das Ausführen einer zerstörungsfreien Quantenmessung des Qubit-Zustands durch Senden eines Mikrowellensignals mit einigen Photonen nahe der Resonatorfrequenz an die cQED und Messen der Amplitude und/oder Phase des Ausgabe-Mikrowellenfelds, das Informationen über den Qubit-Zustand befördert. Eine mögliche Anwendung eines funktionsfähigen und zuverlässigen Einzelphotonendetektors im Mikrowellenbereich besteht somit darin, dieses schwache Ausgabesignal in dem Verdünnungskühlers zu messen (d.h. Erkennen des Qubit-Zustands), ohne dass das Verwenden von Ausgabeketten mit hoher Verstärkung, geringem Rauschen und hoher Isolation erforderlich ist, die nach dem Stand der Technik typischerweise verwendet werden, um solche Messungen durchzuführen.
Eine oder mehrere Ausführungsformen stellen ein zerstörungsfreies Schwellenwerterfassungsschema zum Detektieren der Abwesenheit oder Anwesenheit von Photonen bereit. Ein Photonendetektor/System zur Schwellenwertdetektion enthält einen zerstörungsfreien Einzel-Mikrowellenphotonen-Detektor, der auf dem Kreuz-Kerr-Effekt beruht, einen symmetrischen 3-dB-Koppler (einen 90-Grad-Hybridkoppler), ein Isolator/Dämpfungselement, eine Anpassungsschaltung/ein Netzwerk und einen mit Gleichstrom vorgespannten Josephson-Übergang. Der Photonendetektor/das System zur Schwellenwertdetektion ist eine Mikrowelleneinheit zum Detektieren einzelner Mikrowellenphotonen. Ausführungsformen sind so konfiguriert, dass sie 1) einzelne Photonen in einer bestimmten Bandbreite im Mikrowellenbereich (d.h. im Gigahertz-(GHz-) Bereich, z.B. 1 bis 20 GHz) detektieren, und 2) die Detektion der Photonen zerstörungsfrei durchführen, d.h., ohne die detektierten Photonen zu zerstören (oder zu absorbieren).
Nun zu Aspekten der vorliegenden Erfindung, 1A ist eine schematische Darstellung einer Mikrowellenerfassungseinheit 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Die Mikrowellenerfassungseinheit 100 enthält einen Viertelwellenlängenresonator 102 für die Pumpansteuerung und einen Viertelwellenlängenresonator 104 für die Quantensignale. Ein Ende des Pumpresonators 102 ist mit einem Koppelkondensator 106A verbunden, und der Koppelkondensator 106A ist mit einer Pumpzuleitung/Übertragungsleitung verbunden. Die Pumpzuleitung ist mit dem Pumpanschluss 111 verbunden und/oder der Pumpanschluss 111 befindet sich an der Pumpzuleitung. Die Pumpzuleitung empfängt ein Mikrowellenpumpsignal 305 (d.h. einen starken Mikrowellenton) von einem Mikrowellengenerator oder einer Pumpquelle. Das andere Ende des Pumpresonators 102 ist mit einem dispersiven nichtlinearen Element, z.B. dem Josephson-Übergang (JJ) 110, und mit einer Halbwellenlängen-Stichleitung 120A bei der Pumpfrequenz verbunden. Die Verbindung des Pumpresonators 102, des JJ 110 und der Stichleitung 120A kann als Knoten A bezeichnet werden. Gegenüber dem Knoten A wird die Stichleitung 120A mit einer offenen Schaltung (O. C.) abgeschlossen.
In der Mikrowellenvorrichtung 100 ist ein Ende des Viertelwellenlängen-Signalresonators 104 mit einem Koppelkondensator 106B verbunden, und der Koppelkondensator 106B ist mit einer Signalzuleitung/Übertragungsleitung verbunden. Die Signalzuleitung ist mit einem Signalanschluss 113 verbunden, und/oder der Signalanschluss 113 befindet sich an der Signalzuleitung. Die Signalzuleitung ist so konfiguriert, dass sie ein Mikrowellenquantensignal 405, d.h. ein gemessenes/geprüftes Mikrowellensignal, von einer Quanteneinheit empfängt. Bei der Quanteneinheit kann es sich um ein Qubit, einen Hohlraum/Resonator, der mit einem Qubit verbunden ist, eine Photonenquelle, ein Qubit-Resonatorsystem usw. handeln. Das andere Ende des Signalresonators 104 ist mit dem JJ 110 und mit einer Halbwellenlängen-Stichleitung 120B bei der Pumpfrequenz verbunden. Die Verbindung von Signalresonator 104, JJ 110 und Stichleitung 120B kann als Knoten B bezeichnet werden. Gegenüber dem Knoten B ist die Stichleitung 120B als ein Kurzschluss abgeschlossen, da die Masse bezüglich der Anwendung eines Mikrowellensignals wie ein Kurzschluss wirkt. Die Signalzuleitung kann mit der Quanteneinheit verbunden sein.
Der Pumpresonator 102 hat einen Grundmodus, der als die Pumpbetriebsart oder die Pumpresonanzbetriebsart bezeichnet werden kann. Der Pumpmodus des Pumpresonators 102 hat eine Resonanzfrequenz, die als die PumpResonanzfrequenz f_P bezeichnet werden kann. Der Pumpmodus des Pumpresonators 102 hat eine Wellenlänge λ_P, wobei λ_P = c'/f_P, und c' ist die Lichtgeschwindigkeit in der Übertragungsleitung oder in dem Wellenleiter, die bzw. der bei der Implementierung des Pumpresonators 102 verwendet wird. Das an den Pumpresonator 102 angelegte Mikrowellenpumpsignal 305 ist ein starker kohärenter Resonanzton (d.h., seine Frequenz stimmt mit der Resonanzfrequenz des Pumpresonators 102 überein). Der Pumpresonator 102 ist so ausgelegt, dass er eine Länge hat, die λ_p/4 entspricht, wobei es sich um ein Viertel der Wellenlänge des Pumpsignals handelt. Die Stichleitungen 120A und 120B sind jeweils so ausgelegt, dass sie eine Länge haben, die λ_p/2 entspricht, wobei es sich um die Hälfte der Wellenlänge des Pumpsignals 305 handelt.
Der Signalresonator 104 hat einen Grundmodus, der als Signalmodus oder Signalresonanzmodus bezeichnet werden kann. Der Signalmodus des Signalresonators 104 hat eine Resonanzfrequenz, die als Signalresonanzfrequenz f_S bezeichnet werden kann. Das Quantenmikrowellensignal 405, das in den Signalresonator eingegeben wird, ist ein schwacher Resonanzton mit wenigen einzelnen Photonen, deren Frequenz f_S mit der Resonanzfrequenz des Signalmodus übereinstimmt. Der Signalmodus des Signalresonators 104 hat eine Wellenlänge λ_S, wobei λ_S = c'/f_S, und c' ist die Lichtgeschwindigkeit in der Übertragungsleitung oder in dem Wellenleiter, die bzw. der bei der Implementierung der Einheit verwendet wird. Der Signalresonator 104 ist so ausgelegt, dass er eine Länge aufweist, die λ_S/4 entspricht, was ein Viertel der Wellenlänge des Quantensignals 405 ist.
Bei der Mikrowelleneinheit 100 besteht eine Frequenzbedingung zwischen der (Pump-) Resonanzfrequenz des Pumpresonators 102 und der (Signal-) Resonanzfrequenz des Signalresonators 104. Die Frequenzbedingung besteht darin, dass die Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpresonators 102 gleich der doppelten Signalresonanzfrequenz f_S des Signalresonators 104 ist. Mit anderen Worten, die Frequenzbedingung lautet f_P = 2•f_S. Dementsprechend hat das angelegte Pumpsignal 305 eine Frequenz f_P, die das Doppelte der Frequenz f_S des Quantensignals 405 ist.
Die Mikrowelleneinheit 100 (und/oder der Betrieb über das Pumpsignal 305 und das Quantensignal 405) ist so konfiguriert, dass sie vom effektiven Hamilton Operator (ohne die Ansteuerungen und Zuleitungen) $H_{eff} = ℏ {\tilde{ω}}_{P} N_{P} + ℏ {\tilde{ω}}_{S} N_{S} + ℏ K N_{P}^{2} + ℏ K' N_{P} N_{S}$
beschrieben werden kann, wobei ℏω̃_PN_P den Pumpresonanzmodus-Term darstellt (modelliert als harmonischer Oszillator mit ω_̃P als abgerichtete Resonanzfrequenz des Pumpresonanzmodus), ℏω̃_SN_S stellt den Signalresonanzmodus-Term dar (modelliert als harmonischer Oszillator mit ω̃_S als abgerichtete Resonanzfrequenz des Signalresonanzmodus), $ℏ K N_{P}^{2}$
stellt die Kerr-Selbst-Nichtlinearität der Einheit dar und ℏK'N_PN_S repräsentiert die Kerr-Kreuz-Nichtlinearität der Einheit. Des Weiteren ist K die Kerr-Selbst-Konstante (d.h. die Kerr-Frequenzverschiebung pro Photon) und K' ist die Kerr-Kreuz-Konstante (d.h. die Kerr-Kreuz-Frequenzverschiebung pro Photon). Außerdem ist N_P der Photonennummeroperator des Pumpmodus (dessen Eigenwert die Anzahl der Photonen im Pumpresonanzmodus ist), wobei $N_{P} = a_{P}^{†} a_{P},$
und N_S ist der Photonennummeroperator des Signalmodus, (dessen Eigenwert die Anzahl der Photonen um Signalresonanzmodus ist), wobei $N_{S} = a_{S}^{†} a_{S}, und ℏ = \frac{h}{2 π},$
N_S wobei h die Planck'sche Konstante ist. Außerdem sind a_P und a_S Quantenoperatoren (d.h. den Pump- und Signalresonanzmodi zugehörige Vernichtungsoperatoren). Es wird darauf hingewiesen, dass in diesem Dokument gelegentlich die Symbole N_P , N_S verwendet werden können, um die Eigenwerte der Nummeroperatoren und nicht die Nummeroperatoren selbst darzustellen. Es wird auch angemerkt, dass jeder Fachmann diese Unterscheidung aus dem Kontext leicht treffen kann.
1B ist eine schematische Darstellung der Pumpersatzschaltung der Mikrowelleneinheit 100 aus Sicht des Pumpanschlusses 111 (oder durch diesen beeinflusst) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Zusätzlich zur Darstellung, was der Pumpanschluss 111 sieht, veranschaulicht 1B gleichzeitig die Schaltung, wie sie durch das ankommende Pumpsignal 305 bei der Pumpresonanzfrequenz f_P gesehen wird. Dementsprechend gilt die Erläuterung bezüglich des Pumpanschlusses 111 für das ankommende Pumpsignal 305.
In der Pumpersatzschaltung zeigt 1B die Pumpzuleitung (mit Pumpanschluss 111), die über den Koppelkondensator 106A mit dem Übertragungsleitungsteil des Pumpresonators 102 verbunden ist, und das andere Ende des Übertragungsleitungsteils des Pumpresonators, das über den Josephson-Übergang 110 mit Masse verbunden ist. Um diese Ersatzschaltung zu erklären, wird angemerkt, dass 1) die Stichleitung 120A, die als Impedanzwandler dient, als offener Stromkreis abgeschlossen ist und ihre Länge der halben Wellenlänge des Pumpsignals 305 entspricht, so dass der Knoten A einen offenen Stromkreis mit der Pumpfrequenz sieht und 2) die Stichleitung 120B, die als Impedanzwandler dient, als Kurzschluss abgeschlossen ist und ihre Länge der halben Wellenlänge des Pumpsignals 305 entspricht, somit sieht der Knoten B einen Kurzschluss bei der Pumpfrequenz.
Ein vorteilhaftes Ergebnis dieser Pumpersatzschaltung ist, dass sie zeigt, dass der Pumpresonanzmodus den Signalresonator 104 nicht sieht (d.h., von diesem nicht beeinflusst wird). Mit anderen Worten, der Pumpresonator 102 ist vom Signalresonator 104 isoliert. Ein weiteres vorteilhaftes Ergebnis ist, dass der HF-Strom I_P, der dem Pumpresonanzmodus zugehörig ist, einen Anti-Knoten am Ort des Josephson-Übergangs 110 hat.
1C ist eine schematische Darstellung der Signalersatzschaltung der Mikrowelleneinheit 100, wie sie von dem Quantensignalanschluss 113 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gesehen wird. Zusätzlich zur Veranschaulichung, was der Signalanschluss 113 sieht, zeigt 1C gleichzeitig die Ersatzschaltung, wie sie von dem ankommenden Quantensignal 405 bei der Signalresonanzfrequenz f_S gesehen wird. Dementsprechend gilt die Erläuterung bezüglich des Signalanschlusses 113 für das ankommende Quantensignal 405.
In der Ersatzschaltung der Mikrowelleneinheit 100, die von dem Signalanschluss gesehen wird, zeigt 1C die Signalzuleitung (mit dem Signalanschluss 113), die mit dem Übertragungsleitungsteil des Signalresonators 104 über den Koppelkondensator 106B verbunden ist, und das andere Ende des Übertragungsleitungsteils des Signalresonators 104, das über den Josephson-Übergang 110 mit Masse verbunden ist. Da die Frequenzbedingung für die Pumpfrequenz f_P = 2 • f_S ist (der Grundresonanzmodus des Pumpresonators 102 entspricht der Pumpfrequenz f_P , während der Grundresonanzmodus des Signalresonators 104 der Signalfrequenz f_S entspricht), sieht der Signalanschluss 113 (Quantensignal 405 mit der Signalresonanzfrequenz f_S ) das Gegenstück von dem Pumpanschluss 111.
In diesem Fall (d.h. im Fall des Signalanschlusses) ist die Stichleitung 120B, die als Impedanzwandler dient, durch einen Kurzschluss abgeschlossen, und ihre Länge entspricht einem Viertel der Wellenlänge des Quantensignals 405, so dass der Knoten B einen offenen Stromkreis mit der Signal-Resonanzfrequenz f_S sieht. In ähnlicher Weise ist die Stichleitung 120A, die als Impedanzwandler dient, durch einen offenen Stromkreis abgeschlossen, und ihre Länge entspricht einem Viertel der Wellenlänge des Signals, so dass der Knoten A bei der Signalfrequenz f_S einen Kurzschluss sieht.
Ein vorteilhaftes Ergebnis dieser Signalersatzschaltung ist, dass sie zeigt, dass der Signalresonanzmodus den Pumpresonator 102 nicht sieht. Mit anderen Worten, der Signalresonator 104 ist vom Pumpresonator 102 isoliert. Ein anderes vorteilhaftes Ergebnis ist, dass der HF-Strom I_S , der dem Signalresonanzmodus zugehörig ist, am Ort des Josephson-Übergangs 110 einen Anti-Knoten hat.
Es bedarf an dieser Stelle auf der Grundlage der 1 bis 3 der Verdeutlichung, dass 1) der Pumpresonator 102 (ohne Berücksichtigung des Koppelkondensators und der Zuleitung) die Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung enthält, die bei der Pumpfrequenz f_P über den Josephson-Übergang 110 mit Masse verbunden ist, und 2) der Signalresonator 104 (ohne Berücksichtigung des Koppelkondensators und der Zuleitung) die Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung enthält, die bei der Signalfrequenz f_S über den Josephson-Übergang 110 mit Masse verbunden ist.
Die Mikrowelleneinheit 100 ist so konfiguriert, dass sie zwei Mikrowellenresonanzmodi (d.h. den Pumpresonanzmodus und den Signalresonanzmodus) an ein gemeinsames dispersives nichtlineares Element, d.h. den Josephson-Übergang 110, koppelt. Die Mikrowelleneinheit 100 ist so konfiguriert, dass sie einen Modus, d.h. den Pumpmodus bei der Pumpresonanzfrequenz f_P , als Photonenzahldetektor der Photonen verwendet, die in dem zweiten Modus vorhanden sind, d.h. der Quantensignalmodus mit der Signalresonanzfrequenz fs. In der Mikrowelleneinheit 100 entspricht die Signalresonanzfrequenz f_S des Signalmodus der Mikrowellenfrequenz der Mikrowellenphotonen, die detektiert und/oder gezählt werden sollen.
Durch Ansteuern des Pumpmodus (des Pumpresonators 102) unter Verwendung eines starken kohärenten Mikrowellentons (d.h. des Pumpsignals 305) mit der Pumpresonanzfrequenz f_P ist die Mikrowelleneinheit 100 so konfiguriert, dass sie einen nichtlinearen Kreuz-Kerr-Effekt in dem Josephson-Übergang 110 hervorruft, der zu einer nichtlinearen Wechselwirkung zwischen den Pump- und Signalmodi (und folglich zwischen dem Pumpsignal 305 mit der Pumpresonanzfrequenz f_P und dem Quantensignal 405 bei der Signalresonanzfrequenz f_S ) führt. Infolge dieses Kreuz-Kerr-Effekts ist die Mikrowelleneinheit 100 so konfiguriert, dass die Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpmodus von der Anzahl der Photonen im Signalresonanzmodus mit der Frequenz f_S und umgekehrt abhängt.
Die Mikrowelleneinheit 100 ist so konfiguriert, dass durch Überwachen der Phase des reflektierten Pumpsignals 305' mit der Frequenz f_P eine Mess/Analyse-Einheit (nicht gezeigt) bei einer zerstörungsfreien Quantenmessung das Vorhandensein oder das Fehlen von Signalphotonen im Signalmodus detektiert werden kann (d.h., dass das Vorhandensein oder das Fehlen von Signalphotonen im Quantensignal 405 mit der Frequenz f_S auf der Grundlage der Größe der Phasenverschiebung im reflektierten Pumpsignal 305' detektiert werden kann). Daher kann die Mikrowelleneinheit 100 als ein zerstörungsfreier Mikrowellen-Photonendetektor und - zähler dienen. Durch Einführen einer Frequenzverschiebung in der Resonanzfrequenz des Pumpmodus absorbiert oder zerstört die Mikrowelleneinheit 100 die Signalphotonen im Quantensignal 405 nicht. Stattdessen wird das Quantensignal 405' von der Mikrowelleneinheit 100 an der Signalzuleitung nach dem Interagieren mit dem Pumpsignal 305 in der Einheit 100 über den Josephson-Übergang 110 reflektiert.
Es wird angemerkt, dass die Mikrowelleneinheit 100 zusätzlich zu den Pump- und Signalmodi, die in der Betriebsart Reflexion gemessen und oben ausführlich erläutert wurden, auch zwei gemeinsame Resonanzmodi hat, die in der Betriebsart Übertragung zwischen den Pump- und Signalanschlüssen gemessen werden können. Diese gemeinsamen Resonanzmodi spielen jedoch bei der oben beschriebenen Signal-Pump-Wechselwirkung keine Rolle und haben von den Pump- und Signalresonanzmodi weit verstimmte Frequenzen (und können daher bei Bedarf ausgefiltert werden). Beispielsweise wird für eine Einheit mit einer Pumpresonanzfrequenz von etwa 16 GHz und einer Signalresonanzfrequenz von etwa 8 GHz erwartet, dass die gemeinsamen Modi der Einheit bei etwa 3 GHz und 13 GHz schwingen.
Zwei nützliche Vorteile der Mikrowelleneinheit 100, die aus der Beschreibung der Einheit ohne weiteres abgeleitet werden können, sind: 1) Die starke Pumpansteuerung (d.h. das Pumpsignal 305), die das Detektieren der Signalphotonen ermöglicht, wird über einen Anschluss injiziert, der sich von dem Anschluss unterscheidet, über den das schwache Signal (z.B. das Quantensignal 405) detektiert wird; und 2) die Pump- und Signalmodi sind vollständig voneinander isoliert (aufgrund der Verwendung der Stichleitungen 120A und 120B). Sie interagieren lediglich über den JJ 110, der ihre jeweiligen Resonatoren 102 und 104 verbindet. Daher sollte es konstruktionsbedingt keine direkte Stromleckage zwischen den Pump- und Signalanschlüssen 111 und 113 geben.
Für einen Überblick über ein zerstörungsfreies Schwellenwert-Erfassungsschema zum Detektieren der Abwesenheit oder Anwesenheit von Photonen wird eine allgemeine Ansicht der Schaltung der Einheit erläutert (wie in 2 gezeigt). Der Photonendetektor/das System zur Schwellenwertdetektion enthält einen zerstörungsfreien Einzel-Mikrowellenphotonen-Detektor, der auf dem Kreuz-Kerr-Effekt beruht, einen symmetrischen 3-dB-Koppler (einen 90-Grad-Hybridkoppler), ein Isolator/Dämpfungs-Element, eine Anpassungsschaltung/ein Netzwerk und einen mit Gleichstrom vorgespannten Josephson-Übergang.
Die Hauptanforderungen an einen zerstörungsfreien Mikrowellen-Photonendetektor sind: 1) ein starker Kreuz-Kerr-Effekt auf der Ebene eines einzelnen Photons, 2) räumliche und spektrale Trennung zwischen Signal- und Pumpmodi, 3) ausreichende Isolierung zwischen Pump- und Signalanschlüssen. Ein Beispiel für eine derartige Einheit ist der zerstörungsfreie Einzel-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 in den 1A, 1B und 1C. Das Schema beruht auf einer Welleninterferenz zwischen Pumpsignalen, die an den Hybridkoppler-Eingängen reflektiert werden (d.h. dem Pumpanschluss des zerstörungsfreien Mikrowellenphotonen-Detektors 100 und dem zweiten Ausgang des Hybridkopplers, der durch eine offene Schaltung abgeschlossen ist), um ein großes Mikrowellensignal durch konstruktive Interferenz an einem Ausgang des Hybridkopplers in Abhängigkeit von der Anwesenheit oder dem Fehlen von Signalphotonen zu erzeugen. Wenn kein Eingabe-Signalphoton vorhanden ist, stimmt die Pumpresonanzfrequenz mit der Pumpansteuerfrequenz überein. Folglich interferiert das von dem Pumpanschluss des zerstörungsfreien Photonendetektors 100 reflektierte Pumpsignal destruktiv mit dem Pumpsignal, das von der offenen Seite des Hybridkopplers an dem Hybrideingang reflektiert wird, der mit dem JJ verbunden ist, und lässt den JJ somit im Nullspannungszustand. Wenn jedoch ein Signalphoton vorhanden ist (das in den Signalanschluss des zerstörungsfreien Photonendetektors 100 eintritt), wird die Pumpresonanzfrequenz um einen größeren Wert als die Bandbreite verschoben, wodurch bewirkt wird, dass die Phase des vom Pumpanschluss reflektierten Pumpansteuersignals eine Phasenverschiebung von +/- 180 Grad erfährt, was wiederum zum Erzeugen eines großen reflektierten Pumpsignals durch konstruktive Interferenz an dem mit dem JJ verbundenen Hybrideingang führt und dadurch den JJ in den Spannungszustand steuert (der zuverlässig gemessen und detektiert werden kann). Das Verschieben um einen größeren Wert als die Bandbreite bezieht sich auf die Bandbreite des Pumpresonators am Arbeitspunkt der Einheit.
Nun zu einer detaillierteren Ansicht, 2 ist eine schematische Darstellung eines Systems 200 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 2 enthält einen Photonendetektor/ein System zur Schwellenwerterfassung 205, der bzw. das durch die gestrichelten Linien abgegrenzt ist. Der Photonendetektor zur Schwellenwerterfassung 205 ist eine Mikrowelleneinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Schwellenwerterfassung mit hoher Genauigkeit von einzelnen Mikrowellenphotonen unter Verwendung des zerstörungsfreien Mikrowellenphotonendetektors 100 bereitstellt. Der Photonendetektor/das System zur Schwellenwerterfassung 205 befindet sich in einer kryogenen Einheit, wie beispielsweise ein Lösungskühler. Zusätzlich kann sich das gesamte System 200 auch in der kryogenen Einheit befinden.
Der effektive Hamilton-Operator des zerstörungsfreien Mikrowellenphotonendetektors 100, der auf der Kreuz-Kerr-Nichtlinearität beruht, ist durch H_eff = ℏ(ω̃_P+KN_P + K'N_S)N_P + ℏω̃_SN_S gegeben. Obwohl die Einzelheiten des zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektors 100 aus Gründen der Kürze in 2 weggelassen wurden, ist klar, dass der zerstörungsfreie Quanten-Mikrowellenphotonendetektor 100 die hierin beschriebenen Details enthält. In einer Implementierung kann der zerstörungsfreie Quanten-Mikrowellenphotonendetektor 100 durch einen anderen zerstörungsfreien Mikrowellenphotonendetektor ersetzt werden, der so konfiguriert ist, dass er wie hier beschrieben arbeitet, wie es vom Fachmann verstanden wird.
Der Photonendetektor zur Schwellenwerterfassung 205 enthält außerdem einen Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210, der mit dem zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonendetektor 100 und einer Anpassungsschaltung/einem Netzwerk 220 verbunden ist. In einer Implementierung kann optional ein Isolator 215A zwischen dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 und dem Anpassungsnetzwerk 220 eingefügt werden. In einer Implementierung kann der Isolator 215A durch ein resistives Dämpfungsglied ersetzt werden, um Mehrfachreflexionen zu verhindern. Darüber hinaus kann das System/die Einheit 205 auf einem Chip implementiert werden, insbesondere wenn der Isolator 215A durch ein Dämpfungsglied auf dem Chip ersetzt wird. Bei einer anderen Implementierung gibt es keinen Isolator 215A, und in diesem Fall kann sich der Photonendetektor zur Schwellenwerterfassung 205 auf das Ableiten des großen Mikrowellensignals im JJ 250 vertrauen, um Mehrfachreflexionen zu verhindern. Außerdem ist in dem Photonendetektor zur Schwellenwerterfassung 205 das Anpassungsnetzwerk 220 mit einem JJ 250 verbunden. Bei dem Anpassungsnetzwerk 220 kann es sich um einen Impedanzwandler handeln, der so konfiguriert ist, dass er die Impedanz des Isolators 215A und/oder des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 an die Impedanz des JJ 250 anpasst. Eine Messeinheit 255 ist parallel zu dem JJ 250 geschaltet, um einen Spannungsabfall über dem JJ 250 zu messen. In einer Implementierung kann die Messeinheit 255 Teil des Photonendetektors zur Schwellenwerterfassung 205 oder in diesen integriert sein. In einer anderen Implementierung ist die Messeinheit 255 vom Photonendetektor zur Schwellenwerterfassung 205 getrennt.
Das System 200 enthält eine Photonenquelle 235, die mit einem anderen Isolator 215B verbunden ist, und der Isolator 215B ist mit dem zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 des Photonendetektors zur Schwellenwerterfassung 205 verbunden. Zusätzlich enthält das System 205 ein Mikrowellen-Pumpsignal 230, das mit einem Isolator 215C verbunden ist, und der Isolator 215C ist mit einem Anschluss des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 verbunden. Bei dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 handelt es sich um eine Einheit mit vier Anschlüssen. Zu Erklärungszwecken und nicht als Einschränkung werden die vier Anschlüsse als Anschlüsse 1, 2, 3 und 4 bezeichnet.
Der Isolator 215B und der Isolator 215C sind optional. In einer Implementierung können die Isolatoren 215B und 215C durch Zirkulatoren ersetzt werden.
Das System 200 kann einen Controller 280 enthalten. Der Controller 280 ist über eine Rückkopplungsschleife mit der Messeinheit 255 und der Photonenquelle (Qubit-Resonator) 235 verbunden. Bei dem Controller 280 kann es sich um eine elektronische Schaltung handeln, die die Messeinheit 255 ersetzt und/oder integriert, so dass der Controller 280 so konfiguriert ist, dass er eine Spannungsmessung bereitstellt. Der Controller 280 kann eine Verarbeitungseinheit, einen Speicher und durch einen Computer ausführbare Anweisungen in dem Speicher enthalten. Wenn es sich bei der Photonenquelle 235 um ein Qubit-Resonatorsystem handelt, kann der Controller 280 Mikrowellenquellen steuern und/oder mit diesen integriert sein, um zu bewirken, dass Mikrowellensignale auf der Grundlage der Spannungsmessung des JJ 250 an den Qubit-Resonator gesendet werden.
3 ist eine schematische Darstellung eines Systems 200, die die Funktionsweise darstellt, wenn kein Eingangssignal von Photonen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen vorliegt. 3 veranschaulicht insbesondere ein Szenario, in dem der zerstörungsfreie Photonendetektor 100 durch das Mikrowellenpumpsignal 305 auf Resonanz vorgespannt wird und kein Quantensignal 405 in den zerstörungsfreien Photonendetektor 100 eingegeben wird.
In 3 wird das Mikrowellenpumpsignal 305 mit der Pumpfrequenz f_P von der Pumpquelle 230 über den Isolator 215C in den Anschluss 2 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 übertragen. Bei dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 handelt es sich um einen 90-Grad-Hybridkoppler. Dementsprechend wird am Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 die Hälfte des Mikrowellenpumpsignals 305 aufgeteilt und über die Anschlüsse 1 und 3 ausgegeben. Der Anschluss 3 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 ist mit einem offenen Schaltkreis und der Hälfte des Mikrowellenpumpsignals verbunden. Das Signal 305 wird von dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 an den offenen Stromkreis übertragen. Anschließend wird das Mikrowellenpumpsignal 305 als reflektiertes Pumpsignal 305' von dem offenen Stromkreis zum Anschluss 3 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 zurückreflektiert.
In Bezug auf Anschluss 1 wird die Hälfte des Mikrowellenpumpsignals 305 von dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 zu dem Pumpanschluss 111 am zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 übertragen. Der zerstörungsfreie Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 ist so konfiguriert, dass er die Hälfte des Mikrowellenpumpsignals 305 als Hälfte des reflektierten Mikrowellenpumpsignals 305' zurückreflektiert.
Wenn in 3 kein Quanten- (Mikrowellen-) Signal 405 (d.h. keine Photonen, daher N_S = 0) an den Signalanschluss 113 des zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektors 100 angelegt wird, bleibt der Pumpresonator 102 im Resonanzzustand, was bedeutet, dass die Pumpresonanzfrequenz f_P ist und das Pumpsignal 305 mit der Frequenz f_P übertragen wurde. Wenn kein Quanten-(Mikrowellen-) Signal 405 mit der Signalfrequenz f_S von der Photonenquelle 235 zu dem zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 übertragen wird, ist der effektive Hamilton-Operator des zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektors 100, der auf der Kreuz-Kerr-Nichtlinearität beruht, durch H_eff = ℏ(ω̃_P+KN_P)N_P gegeben, da der Term N_S null ist.
Die Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 ist so konfiguriert, dass er das Mikrowellenpumpsignal 305', das von dem zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 übertragen wird, am Anschluss 1 empfängt, und das Mikrowellen-Pumpsignal 305' empfängt, das von der offenen Schaltung am Anschluss 3 übertragen wird. Da das Pumpsignal 305 mit dem Pumpresonator 102 in Resonanz bleibt (d.h., die Frequenz des Pumpsignals 305 ist die gleiche wie die Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpenresonators 102) wird ein starkes reflektiertes Pumpsignal 305' (durch den großen Pfeil angegeben) über den Anschluss 2 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 zurück auf die Übertragungsleitung zu der Pumpquelle 230 übertragen. Es wird jedoch kein reflektiertes Pumpsignal über den Anschluss 4 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 zum Isolator 215A übertragen. Es sei darauf hingewiesen, dass selbst dann, wenn ein vernachlässigbarer Betrag des reflektiertem Pumpsignal vom Anschluss 4 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 an den Isolator 215A ausgegeben wird, keine zusätzliche Energie (oder eine unbedeutende Energiemenge) an den JJ 250 übertragen wird. Bei einem vernachlässigbaren Betrag des reflektierten Pumpsignals oder der Leistung, die den JJ 250 erreichen könnte, kann es sich um weniger als 0,1 Femtowatt (fW) oder um eine geringe Leistung handeln. Dies ist ein Beispiel für eine geringe Leistung/einen geringen Strom, der keinen Spannungsabfall verursacht. Da kein reflektiertes Pumpsignal (oder kein unbedeutender Betrag) vom Anschluss 4 des Mikrowellen-Hybridkopplers 210 an den JJ 250 übertragen wird, bleibt der JJ 250 im Überstrom-Zustand (supercurrent state), der auch als Nullspannungszustand bezeichnet wird. Der Fachmann versteht, dass, wenn der Strom, der in dem JJ 250 fließt, kleiner als der kritische Strom I_C ist, der Spannungsabfall über dem JJ null ist. In einer Implementierung kann der JJ 250 durch einen Gleichstrom I_BIAS, beispielsweise von einer rauscharmen Gleichstromquelle vorgespannt sein. Beim Vorspannen ist der Gleichstrom I_BIAS kleiner als der Überstrom/kritische Strom I_C .
Die Messeinheit 255 wird verwendet, um zu messen, ob über dem JJ 250 ein Spannungsabfall erfolgt. Wenn die Messeinheit 255 feststellt, dass der Spannungsabfall null ist (V = 0), gibt V = 0 an, dass keine Signalphotonen in die Einheit eingetreten sind, und der JJ 250 ist in dem Nullspannungszustand/Überstrom-Zustand wie durch den Controller 280 erkannt wird. Wenn die Messeinheit 255 ermittelt, dass der Spannungsabfall nicht gleich null ist (V ≠ 0), zeigt V ≠ 0 an, dass sich der JJ 250 im Spannungszustand befindet (wie vom Controller 280 erkannt), da ein zusätzlicher HF-Strom (außer I_BIAS) durch den JJ 250 fließt, wie dies in 7 weiter erläutert wird.
Dementsprechend ist der Photonendetektor/das System zur Schwellenwerterfassung 205 ist so konfiguriert, dass er bzw. es detektiert, wenn der Schwellenwert erfüllt wurde, um einen Spannungsabfall über dem JJ 250 zu bewirken, wobei kein Spannungsabfall bedeutet, dass keine Mikrowellenphotonen vorhanden sind (d.h., es wurden keine Photonen von der Photonenquelle 235 übertragen oder sind in den Signalresonator 104 eingetreten) und wobei ein Spannungsabfall bedeutet, dass Mikrowellenphotonen vorhanden sind (d.h., Photonen werden von der Photonenquelle 235 über das Quanten-Mikrowellensignal 405 übertragen und treten in den Signalresonator 104 ein).
4 ist eine schematische Darstellung des Systems 200, die die Funktionsweise darstellt, wenn ein Eingangssignal von Photonen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen vorliegt. In diesem Fall veranschaulicht 4 ein Szenario, in dem das Eingabe-Signalphoton (des Quantensignals 405) die Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpresonators 102 im zerstörungsfreien Photonendetektor 100 verschiebt, was dazu führt, dass die Pumpansteuerung/das Pumpsignal 305 außer Resonanz geht (wenn vorher das gleiche Pumpsignal 305 in Resonanz war). Die Verschiebung der Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpresonators 102 im zerstörungsfreien Photonendetektor 100 wird durch das Quantensignal 405 mit der Frequenz f_S verursacht, das in den zerstörungsfreien Photonendetektor 100 eingegeben wird. Wegen der Verschiebung der Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpresonators 102 durch das Quantensignal 405 bewirkt dies eine Phasenverschiebung in dem reflektierten Pumpsignal 305', das von dem zerstörungsfreien Photonendetektor 100 zu dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 übertragen wird. Infolgedessen wird der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er veranlasst, dass ein starkes reflektiertes Pumpsignal 405 von dem Anschluss 4 ausgegeben wird. Eine weitere Erläuterung bezüglich der Phasenverschiebung erfolgt in den 9, 10 und 12. Dieses starke reflektierte Pumpsignal 305' wird über den Isolator 215A und das Anpassungsnetzwerk 220 an den JJ 250 übertragen. Aufgrund des starken reflektierten Pumpsignals 305, das der JJ 250 empfängt, wird der JJ 250 von dem Nullspannungs/Überstrom-Zustand zu dem Spannungszustand verschoben, und die Messeinheit 255 (und/oder der Controller 280) ermittelt, dass der Spannungsabfall nicht gleich null ist (V ≠ 0), wodurch angezeigt wird, dass Photonen vorhanden sind (d.h., ein oder mehrere Photonen wurden von der Photonenquelle 235 übertragen).
Nachfolgend wird ein beispielhaftes Szenario bereitgestellt, um den Unterschied von 4 (in der wenigstens ein Mikrowellenphoton im Quantensignal 405 von der Photonenquelle 235 zum zerstörungsfreien Photonendetektor 100 übertragen wird) gegenüber 3 zu veranschaulichen (in der kein Quantensignal 405 von der Photonenquelle 235 zum zerstörungsfreien Photonendetektor 100 übertragen wird). In 4 wird das Mikrowellenpumpsignal 305 mit der Pumpfrequenz f_P von der Pumpquelle 230 über den Isolator 215C in den Anschluss 2 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 übertragen. Da es sich bei dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 um einen 90-Grad-Hybridkoppler handelt, wird die Hälfte des Mikrowellenpumpsignals 305 aufgeteilt und über die Anschlüsse 1 und 3 ausgegeben. Der Anschluss 3 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 ist mit der offenen Schaltung verbunden, so dass das Mikrowellenpumpsignal 305 zu der offenen Schaltung übertragen wird und von der offenen Schaltung als reflektiertes Pumpsignal 305' zurückreflektiert wird. In Bezug auf Anschluss 1 wird das Mikrowellenpumpsignal 305 von dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 an den Pumpanschluss 111 an den zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 übertragen. Der zerstörungsfreie Mikrowellenphotonen-Detektor 100 ist so konfiguriert, dass er das Mikrowellenpumpsignal 305 als reflektiertes Mikrowellenpumpsignal 305' zurückreflektiert.
Wenn das Quanten- (Mikrowellen-) Signal 405 an den Signalanschluss 113 des zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektors 100 angelegt wird, wobei angezeigt wird, dass Photonen vorhanden sind (N_S > 0), hat der Pumpresonator 102 eine Verschiebung bei seiner grundlegenden Resonanzfrequenz, was bedeutet, dass die Pumpresonanzfrequenz f_P auf einen anderen Wert verschoben ist und die Frequenz des Pumpsignals 305 nicht mit der Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpresonators 102 übereinstimmt (oder nicht mehr übereinstimmt).
Da das Quanten- (Mikrowellen-) Signal 405 mit der Signalfrequenz f_S von der Photonenquelle 235 zu dem zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 übertragen wird, wird der effektive Hamilton-Operator des zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektors 100, der auf der Kreuz-Kerr-Nichtlinearität beruht, durch H_eff = ℏ(ω̃_P+KN_P + K'N_S)N_P + ℏω̃_SN_S, angegeben, da N_S größer als null ist.
Der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 ist so konfiguriert, dass er am Anschluss 1 das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305' empfängt, das von dem zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 übertragen wird, und am Anschluss 3 das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305' empfängt, das von der offenen Schaltung übertragen wird. Da die Frequenz des Pumpsignals 305 nicht oder nicht mehr mit der Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpresonators 102 in Resonanz ist, wird ein starkes reflektiertes Pumpsignal 305' (durch den langen Pfeil angegeben) vom Anschluss 4 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 über den Isolator 215A und das Anpassungsnetzwerk 220 an den JJ 250 übertragen. Das starke reflektierte Pumpsignal 305', das an dem JJ 250 empfangen wird, bewirkt eine relativ große Energiemenge an dem JJ 250, die den JJ 250 in den Spannungszustand versetzt, in dem ein Spannungsabfall (d.h. ein Spannungswert) von der Messeinheit 255 erfasst wird. Bei einer Implementierung kann ein Beispiel der Leistung oder des Stroms, die zum Überschreiten der Schwelle zum Umschalten des JJ 250 in den Spannungszustand verwendet werden können, 0,1 nW (Nanowatt) sein. In einer anderen Implementierung kann ein beispielhafter Wert der Leistung oder des Stroms als Schwellenwert zum Umschalten des JJ 250 in den Spannungszustand 10 pW (Pikowatt) betragen.
Das Umschalten vom Nullspannungszustand/Überstromzustand in den Spannungszustand zeigt das Detektieren eines Photons über die Messeinheit 255 an. Daher ist der Photonendetektor/das System zur Schwellenwerterfassung 205 so konfiguriert, dass er bzw. es ermittelt, dass Mikrowellenphotonen vorhanden sind (d.h., Photonen werden von der Photonenquelle 235 über das Quantenmikrowellensignal 405 übertragen), indem detektiert wird, dass der Schwellenwert erreicht wurde, um einen Spannungsabfall über dem JJ 250 zu verursachen.
In 4 wird allerdings kein reflektiertes Mikrowellenpumpsignal 305' vom Anschluss 2 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 zurück zur Pumpquelle 230 übertragen. Dies liegt daran, dass das Pumpsignal 305, das zuvor an den Pumpresonator 102 übertragen wurde, außerhalb der Resonanz war.
5 ist eine schematische Darstellung des Systems 200, die ein Detektieren eines Einzel-Mikrowellenphotons in situ gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt. 6 ist eine schematische Darstellung des Systems 200, die das Detektieren eines Einzel-Mikrowellenphotons in situ gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt. Die 5 und 6 sind Teilansichten des Systems 200, die den Vorgang des Detektierens veranschaulichen. 5 ist ein Beispiel des Falls „keine Photonen vorhanden“, bei dem N_S = 0 ist, während 6 ein Beispiel für den Fall „Signalphotonen vorhanden“ ist, bei dem N_S > 0 ist. Durch Messen einer Spitze in der Spannung über dem JJ 250 in 6 oder ein Fehlen einer Spitze in 5 kann ein Bediener (oder ein Controller 280) vor Ort (in einer kryogenen Einrichtung, wie beispielsweise ein Lösungskühler) das Vorhandensein (Spannungsspitze) bzw. das Fehlen (keine Spannungsspitze) von Eingabe-Signalphotonen feststellen.
7 ist eine schematische Darstellung des Systems 200, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen den Fall „kein Eingabe-Signalphoton“ darstellt. 7 ist lediglich eine Teilansicht des Systems 200, die die Signale auf den Übertragungsleitungen veranschaulicht, die mit dem zerstörungsfreien Photonendetektor 100 verbunden sind. 8 ist ein Graph 800, der die Wirkung des zerstörungsfreien Photonendetektors 100 von 7 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kennzeichnet. In diesem Fall ist der zerstörungsfreie Photonendetektor 100 in 7 auf Resonanz vorgespannt, und es gibt kein Eingabe-Signalphoton, um die Pumpresonanzfrequenz f_P zu verschieben. Dementsprechend wird das Mikrowellenpumpsignal 305 mit einer Frequenz übertragen, die der Pumpresonanzfrequenz f_P entspricht, so dass das reflektierte Pumpsignal 305' (das von dem zerstörungsfreien Photonendetektor 100 übertragen wird) keine Phasenverschiebung relativ zu der Phase des einfallenden Pumpsignals 305 (0 ° Phasenverschiebung) unter der Bedingung erfährt, dass in den zerstörungsfreien Photonendetektor kein Quantensignal 405 eingegeben wird. Dies wird auch durch die Pumpresonanzkurve 805 für den Pumpresonator 102 in dem Graphen 800 in 8 gezeigt.
9 ist eine schematische Darstellung des Systems 200, die ein Empfangen eines Eingabe-Signalphotons über das Quanten-Mikrowellensignal 405 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellt. 9 ist lediglich eine Teilansicht des Systems 200, die die Signale auf den Übertragungsleitungen veranschaulicht, die mit dem zerstörungsfreien Photonendetektor 100 verbunden sind. 10 ist ein Graph 1000, der die Wirkung des zerstörungsfreien Photonendetektors 100 von 9 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kennzeichnet. In diesem Fall ist der zerstörungsfreie Photonendetektor 100 auf Resonanz vorgespannt, aber das Vorhandensein von Eingabe-Signalphotonen (über das Mikrowellensignal 405) verschiebt die Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpresonators 102 um Δf_p = K'N_S/2π, wobei Δf_p die Verschiebung in der Pumpresonanzfrequenz f_P bezeichnet.
Dementsprechend wird das Mikrowellenpumpsignal 305 mit einer Frequenz übertragen, die nicht mit der Pumpresonanzfrequenz f_P übereinstimmt, so dass das Pumpsignal 305 eine 0-Grad-Phase hat und das reflektierte Pumpsignal 305' (das von dem zerstörungsfreien Photonendetektor 100 übertragen wird) hat eine -180-Grad-Phase unter der Bedingung, dass das Quantensignal 405 in den zerstörungsfreien Photonendetektor 100 eingegeben wird. Dies wird auch durch die -180-Grad-Verschiebung in der Phase des reflektierten Pumpsignals 305' zwischen der ursprünglichen Pumpresonanzkurve 805 gegenüber der verschobenen Resonanzkurve 905 des Pumpresonators 102 in dem Graphen 1000 von 10 bei der Frequenz des Pumpsignals gezeigt. Diese Phasenverschiebung von -180-Grad bei dem reflektierten Pumpsignal 305' bewirkt, dass der JJ 250 den Spannungszustand verschiebt (d.h. V ≠ 0).
Weitere Einzelheiten darüber, wie die Phase des reflektierten Pumpsignals 305' in dem Photonendetektor/System zur Schwellenwerterfassung 205 genutzt wird, werden in den 11 und 12 erläutert. 11 ist eine schematische Darstellung des Systems 200, die das Verwenden der Phase des reflektierten Pumpsignals in dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt. 11 ist lediglich eine Teilansicht des Systems 200, die die Beziehung der Phasenverschiebung an den Signalen 305, 305' in Bezug auf den Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 veranschaulicht, und um die Signale 305, 305' weiter abzugrenzen, werden Signalbezeichnungen 305_1, 305_1', 305_2, 305_2' zu Erklärungszwecken verwendet. 11 veranschaulicht den Fall, bei dem das Fehlen von Eingabe-Signalphotonen bewirkt, dass die starke Pumpansteuerung den zerstörungsfreien Quantendetektor in Richtung der Pumpquelle 230 reflektiert.
Nun zu den Einzelheiten von 11, ein starkes Pumpsignal 305 mit der Phase 0 ° und der Frequenz f_P wird an dem Anschluss 2 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 eingegeben, und der breite Pfeil repräsentiert ein starkes Signal. Da es sich bei dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 um einen 90-Grad-Hybridkoppler handelt, ist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er das große Pumpsignal 305 in zwei Hälften teilt, so dass das Mikrowellenpumpsignal 305_1 durch den Anschluss 1 mit Phase 0 ° ausgegeben wird und das Mikrowellenpumpsignal 305_2 mit Phase 90 ° über den Anschluss 3 ausgegeben wird. Da der Anschluss 3 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 mit einem offenen Stromkreis verbunden ist, wird das Mikrowellenpumpsignal 305_2 mit Phase 90 ° (vom offenen Stromkreis) als reflektiertes Pumpsignal 305_2' mit Phase 270 ° zum Anschluss 3 reflektiert. In Bezug auf Port 1 wird das Mikrowellenpumpsignal 305_1 mit Phase 0 ° wird vom Anschluss 1 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 zum zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 am Pumpanschluss 111 übertragen. Da das Pumpsignal 305_1 die Frequenz hat, die mit der Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpresonators 102 übereinstimmt, ist der zerstörungsfreie Mikrowellenphotonen-Detektor 100 so konfiguriert, dass er das Mikrowellenpumpsignal 305_1 mit Phase 0 ° zum Anschluss 1 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 als reflektiertes Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit Phase 0 ° reflektiert.
An diesem Punkt empfängt der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit Phase 0 ° am Anschluss 1 und das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_2' mit Phase 270 ° am Anschluss 3. Da der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so aufgebaut ist, dass er das ankommende Signal in zwei Hälften aufteilt, um die Phase um 90 ° zu vergrößern, wenn er das ankommende Signal in der Querrichtung ausgibt, ist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er eine Hälfte des reflektierten Mikrowellenpumpsignals 305_1' (das zuvor die Phase 0 ° hatte und am Anschluss 1 eingegeben wurde) am Anschluss 4 mit einer um 90 ° erhöhten Phase (d.h. 0 ° + 90 ° = 90 °) (aufgrund der Querrichtung) ausgibt, so dass das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit der Phase 90 ° den Anschluss 4 verlässt. Zusätzlich ist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er eine Hälfte des reflektierten Mikrowellenpumpsignals 305_1' (das zuvor die Phase 0 ° hatte und am Anschluss 1 eingegeben wurde) mit einer Phasenänderung von 0 ° (d.h. 0 ° + 0 °= 0 °) am Anschluss 2 in horizontaler Richtung ausgibt, so dass das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit der Phase 0 ° den Anschluss 2 verlässt.
In Bezug auf das reflektierte Pumpsignal 305_2' mit Phase 270 °, das am Anschluss 3 eintritt, ist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er eine Hälfte des reflektierten Mikrowellenpumpsignals 305_2' (das zuvor die Phase 270 ° hatte und am Anschluss 3 eingegeben wurde) am Anschluss 2 mit einer um 90 ° erhöhten Phase (d.h. 270 ° + 90 ° = 360 °) aufgrund der Querrichtung ausgibt, so dass das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_2' mit der Phase 360 ° den Anschluss 2 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 verlässt. Darüber hinaus ist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er eine Hälfte des reflektierten Mikrowellenpumpsignals 305_2' (das zuvor die Phase 270 ° hatte und am Anschluss 3 eingegeben wurde) am Anschluss 4 mit einer Phasenänderung von 0 ° (d.h. 0 ° + 270 ° = 270 °) wegen der horizontalen Richtung ausgibt, so dass das reflektierte Mikrowellenpumpensignal 305_2' mit der Phase 270 ° den Anschluss 4 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 verlässt.
Auf der Übertragungsleitung in Richtung zur Pumpquelle 230 liegen das Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit der Phase 0 ° und das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_2' mit der Phase 360 ° und infolge von Welleninterferenz das Signal 305_1' mit der Phase 0 ° und das Signal 305_2' mit der Phase 360 °, die konstruktiv addiert/verknüpft werden, um das starke reflektierte Pumpsignal 1105 mit der Phase 0 ° zu erzeugen. Das starke reflektierte Pumpsignal 1105 ist das gleiche wie das starke reflektierte Pumpsignal 305' in 3.
Auf der Übertragungsleitung in Richtung des JJ 250 liegen jedoch das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit der Phase 90 ° und das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_2' mit der Phase 270 °, infolge von Welleninterferenz das Signal 305_1' mit der Phase 90 ° und das Signal 305_2' mit der Phase 270 °, die destruktiv addiert/verknüpft werden, um destruktiv kein Signal zu erzeugen. Dementsprechend gibt es keine Verschiebung in dem JJ 250 vom Nullspannungszustand in den Spannungszustand, und daher gibt es die Feststellung (durch den Controller 280), dass kein Mikrowellenphoton detektiert wird. 11 veranschaulicht die Funktionsweise des Photonendetektors/des Systems zur Schwellenwerterfassung 205, wie in den 2, 3, 5, 7 und 8 erläutert.
12 ist eine schematische Darstellung des Systems 200, die ein Verwenden der Phase des reflektierten Pumpsignals in dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt. 12 ist lediglich eine Teilansicht des Systems 200, die die Beziehung der Phase in den Signalen 305, 305', 405 in Bezug auf den Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 veranschaulicht und zum weiteren Abgrenzen der Signale 305, 305' werden die Signalbezeichnungen 305_1, 305_1', 305_2, 305_2' verwendet. 12 veranschaulicht den Fall, bei dem das Vorhandensein von Eingabe-Signalphotonen die starke Pumpansteuerung bewirkt, um den zerstörungsfreien Quantendetektor in Richtung des JJ 250 zu reflektieren, wodurch ein Detektieren eines Photons bewirkt wird.
Nun zu den Details in 12, ein starkes Pumpsignal 305 mit der Phase 0 ° und der Frequenz f_P wird in den Anschluss 2 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 eingegeben, und der breite Pfeil repräsentiert ein starkes Signal. Da es sich bei dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 um einen 90-Grad-Hybridkoppler handelt, ist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er das große Pumpsignal 305 in zwei Hälften teilt, so dass das Mikrowellenpumpsignal 305_1 durch den Anschluss 1 mit Phase 0 ° ausgegeben wird und das Mikrowellenpumpsignal 305_2 mit Phase 90 ° über den Anschluss 3 ausgegeben wird. Da der Anschluss 3 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 mit einem offenen Stromkreis abgeschlossen ist, wird das Mikrowellenpumpsignal 305_2 mit Phase 90 ° (vom offenen Stromkreis) als reflektiertes Pumpsignal 305_2' mit Phase 270 ° zum Anschluss 3 reflektiert. Bis zu diesem Punkt ist die Erläuterung von 12 identisch mit 11. In Bezug auf den Anschluss 1 wird das Mikrowellenpumpsignal 305_1 mit Phase 0 ° vom Anschluss 1 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 zum zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 an den Pumpanschluss 111 übertragen. Gleichzeitig wird das Quanten-Mikrowellensignal 405 in den Signalanschluss 113 des zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektors 100 eingegeben. Das Quantenmikrowellensignal 405 verschiebt die Pumpresonanzfrequenz f_P . Somit hat das Pumpsignal 305_1 nicht mehr eine Frequenz, die mit der Pumpresonanzfrequenz f_P des Pumpresonators 102 übereinstimmt, und aufgrund dieser Fehlanpassung ist der zerstörungsfreie Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 so konfiguriert, dass er das Mikrowellenpumpsignal 305_1 (das mit Phase 0 ° übertragen wird) zum Anschluss 1 als reflektiertes Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit der Phase -180 ° reflektiert. In diesem Fall gibt es eine Phasenverschiebung von -180 °, die in dem reflektierten Mikrowellenpumpsignal 305_1' auftritt, das an den Anschluss 1 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 zurückgesendet wird, wie in den 9 und 10 erläutert.
An diesem Punkt empfängt der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit der Phase -180 ° am Anschluss 1 und das reflektierte Pumpsignal 305_2' mit der Phase 270 ° am Anschluss 3. Da der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so aufgebaut ist, dass er das ankommende Signal in zwei Hälften teilt, um die Phase für die Querrichtung um 90 ° zu vergrößern und das ankommende Signal in Querrichtung sowie in horizontaler Richtung auszugeben, ist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er die Hälfte des Mikrowellenpumpsignal 305_1' (das zuvor die Phase -180 ° hatte und wurde am Anschluss 1 eingegeben wurde) am Anschluss 4 mit einer um 90 ° erhöhten Phase (d.h. -180 ° + 90 ° = -90 °) ausgibt, so dass das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit der Phase -90 ° den Anschluss 4 des Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers 210 verlässt. Außerdem ist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er eine Hälfte des reflektierten Mikrowellenpumpsignals 305_1' (das zuvor die Phase -180 ° hatte und am Anschluss 1 eingegeben wurde) mit einer Phasenänderung von 0 ° (d.h. -180 ° + 0 ° = -180 °) am Anschluss 2 ausgibt, so dass das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit der Phase -180 ° den Anschluss 2 verlässt.
In Bezug auf das reflektierte Pumpsignal 305_2' mit der Phase 270°, das am Anschluss 3 eintritt, ist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er eine Hälfte des reflektierten Mikrowellenpumpsignals 305_2' (das zuvor die Phase 270 ° hatte und am Anschluss 3 eingegeben wurde) am Anschluss 2 mit einer um 90 ° erhöhten Phase (d.h. 270 ° + 90 ° = 360 °) ausgibt, so dass das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_2' mit der Phase 360 ° den Anschluss 2 verlässt. Außerdem ist der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er eine Hälfte des reflektierten Mikrowellenpumpsignals 305_2' (das zuvor die Phase 270 ° hatte und am Anschluss 3 eingegeben wurde) am Anschluss 4 mit einer Phasenänderung von 0 ° (d.h. 0 ° + 270 ° = 270 °) ausgibt, so dass das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_2' mit der Phase 270 ° den Anschluss 4 verlässt.
Auf der Übertragungsleitung in Richtung der Pumpquelle 230 liegen das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit der Phase -180 ° und das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_2' mit der Phase 360 ° und aufgrund destruktiver Welleninterferenz das Signal 305_1' mit der Phase -180 ° und das Signal 305_2' mit der Phase 360 °, die addiert/verknüpft werden, um kein Signal zu ergeben.
Auf der Übertragungsleitung in Richtung des JJ 250 liegen jedoch das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_1' mit der Phase -90 ° und das reflektierte Mikrowellenpumpsignal 305_2' mit der Phase 270 ° und aufgrund konstruktiver Welleninterferenz das Signal 305_1' mit der Phase -90 ° und Signal 305_2' mit der Phase 270 °, die addiert/verknüpft werden, um ein starkes reflektiertes Mikrowellensignal 1205 zu erzeugen (das das gleiche ist wie das starke reflektierte Mikrowellensignal 305' in den 4 und 6). Aufgrund des starken reflektierten Mikrowellensignals 1205, das von dem JJ 250 empfangen wird (z.B. 1 nW oder mehr), gibt es eine Verschiebung in dem JJ 250 vom Nullspannungszustand zu dem Spannungszustand, und somit erfolgt die Feststellung durch den Controller 280, dass ein Mikrowellenphoton detektiert wird. 12 veranschaulicht die Funktionsweise des Photonendetektors/des Systems zur Schwellenwerterfassung 205 wie in den 2, 4, 6, 9 und 10 erläutert.
Der zerstörungsfreie Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 mit den Kondensatoren (mit Ausnahme des dielektrischen Werkstoffs in den Kondensatoren), die Übertragungsleitungen, die Josephson-Übergänge 110, 250 (mit Ausnahme des dünnen isolierenden Werkstoffs), die Resonatoren 102, 104 und das Anpassungsnetzwerk 220 sind aus supraleitendem Werkstoff hergestellt. Außerdem ist der Quadratur-Mikrowellen-90-Grad-Hybridkoppler 210 aus normalen Metallen mit geringem Verlust hergestellt oder kann aus supraleitendem Werkstoff hergestellt sein. Das Qubit-Resonatorsystem ist auch 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.
Der Photonendetektor/das System zur Schwellenwerterfassung 205 und/oder das System 200 sind so konfiguriert, dass sie die Skalierbarkeit unterstützen, indem sie die Anzahl der Ausgangsleitungen verringern, die aus einem Mischkryostaten kommen, der einen supraleitenden Quantenprozessor enthält. Dieses Schema kann auch leicht auf eine große Anzahl von Qubits erweitert werden. Der Photonendetektor/das System zur Schwellenwerterfassung 205 und/oder das System 200 fügen dem Quantensystem einen zusätzlichen Schutz hinzu, da das System 200, 205 durch Weglassen der Ausgangsleitung so konfiguriert ist, dass es thermisches und elektromagnetisches Rauschen (das außerhalb des Kryostaten entsteht oder durch aktive Einheiten erzeugt wird) auf den Ausgangsleitungen verhindert, das sich zum Quantensystem ausbreitet und dessen Kohärenz beeinflusst.
Der Photonendetektor/das System zur Schwellenwerterfassung 205 und/oder das System 200 ermöglichen eine In-Situ-Messung des Quantenzustands, ohne den Kryostaten zu verlassen. Der Photonendetektor/das System zur Schwellenwerterfassung 205 und/oder das System 200 schließen die Rückkopplungsschleife im Kryostaten, indem sie einen Entscheidungsfindungsmechanismus (d.h. den Controller 280) in den Kryostaten integrieren. Die Steuerung 280 trifft auf der Grundlage dieser Messungen Entscheidungen und legt Rückkopplungs-Treibersignale an (z.B. über schnelle Einzelfluss-Quanten- (RSFQ-)/vor Ort programmierbare Gate-Array- (FPGA-) Schaltungen). Durch Schließen der Rückkopplungsschleife im Kryostaten wird die elektrische Länge der Schleife erheblich verkürzt, wodurch schnellere Rückkopplungszyklen ermöglicht werden.
Des Weiteren kann in dem System 200 das Quantensystem sondiert oder bei Raumtemperatur verhältnismäßig leicht gemessen werden, indem eine Ausgangsleitung mit dem dritten Anschluss eines kryogenen Zirkulators verbunden wird, der zwischen dem Quantensystem (z.B. Photonenquelle 235) und dem zerstörungsfreien Mikrowellenphotonendetektor 100 (auf der Signalseite) eingefügt wird.
13 ist ein Ablaufplan 1300 eines Verfahrens zum Bilden einer Mikrowellenerfassungseinheit zur Schwellenwerterfassung 205 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Im Block 1305 wird ein zerstörungsfreier Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 bereitgestellt. Im Block 1310 wird ein Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 mit dem zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 verbunden. Ein dispersives nichtlineares Element 250 wird mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 verbunden.
Das dispersive nichtlineare Element 250 ist so konfiguriert, dass es in einen Spannungszustand schaltet, der ein Detektieren eines Mikrowellenphotons angibt. Der Spannungszustand entspricht dem Vorhandensein eines Spannungsabfalls über dem dispersiven nichtlinearen Element 250. Das dispersive nichtlineare Element 250 ist so konfiguriert, dass es sich in einem Nullspannungszustand befindet, der anzeigt, dass kein Mikrowellenphoton detektiert wird. Die Nullspannung entspricht dem Nichtvorhandensein eines Spannungsabfalls über dem dispersiven nichtlinearen Element 250. Bei dem dispersiven nichtlinearen Element 250 handelt es sich um einen Josephson-Übergang. Das dispersive nichtlineare Element ist eine supraleitende Gleichstrom-Quanteninterferenzeinheit (SQUID).
Ein Isolator 215A ist zwischen den Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 und das dispersive nichtlineare Element 250 geschaltet. Der zerstörungsfreie Quanten-Mikrowellenphotonen-Detektor 100 ist so konfiguriert, dass er ein Mikrowellensignal 405 und ein Pumpsignal 305 derart empfängt, dass das dispersive nichtlineare Element 250 in einen Spannungszustand wechselt, wodurch ein Mikrowellenphoton in dem Mikrowellensignal 405 detektiert wird. Eine Messeinheit 255 ist so konfiguriert, dass sie ein Mikrowellenphoton detektiert, indem sie eine Spannung ungleich Null über dem dispersiven nichtlinearen Element 250 misst.
14 ist ein Ablaufplan 1400 eines Verfahrens zum Detektieren eines Mikrowellenphotons gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Im Block 1405 wird ein Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er ein reflektiertes Mikrowellenpumpsignal 305' von einer zerstörungsfreien Quanten-Mikrowelleneinheit 100 empfängt (z.B. am Anschluss 1). Im Block 1410 werden eine Messeinheit 255 und/oder ein Controller 280 so konfiguriert, dass sie bzw. er auf der Grundlage eines dispersiven nichtlinearen Elements 250 das Vorhandensein des Mikrowellenphotons ermittelt, das sich in einem Spannungszustand befindet, wobei das dispersive nichtlineare Element 250 mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 verbunden ist.
Das Mikrowellenphoton wurde in die zerstörungsfreie Quanten-Mikrowelleneinheit 100 in einem Quanten-Mikrowellensignal 405 eingegeben. Der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 gibt einen Teil des reflektierten Mikrowellensignals 305' an das dispersive nichtlineare Element 250 aus.
15 ist ein Ablaufplan 1500 eines Verfahrens zum Detektieren des Fehlens eines Mikrowellenphotons gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Im Block 1505 wird ein Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 so konfiguriert, dass er ein reflektiertes Mikrowellenpumpsignal 305' von einer zerstörungsfreien Quanten-Mikrowelleneinheit 100 empfängt. Im Block 1510 werden eine Messeinheit 255 und/oder ein Controller 280 so konfiguriert, dass sie bzw. er auf der Grundlage eines dispersiven nichtlinearen Elements 250 das Fehlen des Mikrowellenphotons ermittelt, das sich in einem Nullspannungszustand befindet, wobei das dispersive nichtlineare Element 250 mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler 210 verbunden ist.
Das dispersive nichtlineare Element 250, das sich in dem Nullspannungszustand befindet, gibt an, dass kein Mikrowellenphoton aus einer Quantenquelle 235 in die zerstörungsfreie Quanten-Mikrowelleneinheit 100 eingegeben wird.
Zu den technischen Vorteilen gehört ein zerstörungsfreier Photonen-Detektor/ein System zur Schwellenwerterfassung. Als technischer Vorteil kann das Ausgabe-Spannungssignal, das das Vorhandensein oder das Fehlen von Signalphotonen anzeigt, in einem Lösungskühler unter Verwendung einer Elektronik mit schnellen Einzelflussquanten (RSFQ) oder einer Elektronik auf der Grundlage von Halbleitern in situ gemessen werden. Daher ist es nicht erforderlich, das Ausgabesignal des Quantensignals außerhalb des Kryostaten mit einer Ausrüstung bei Raumtemperatur zu messen. Darüber hinaus würden es derartige Spannungsmessungen ermöglichen, dass Rückkopplungssignale ohne den Kryostaten zu verlassen wieder an die Quantensignalquelle angelegt werden. Mit anderen Worten, die Quanten-Rückkopplungsschleife kann auch innerhalb des Kryostaten geschlossen werden. Diese Fähigkeit verringert die Anzahl der Ausgangsleitungen und den Umfang der Hardware wie quantenlimitierte Verstärker, Zirkulatoren, Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs), Koaxialkabel, die benötigt werden, um einen skalierbaren supraleitenden Quantenprozessor zu realisieren. Durch Verringern der Anzahl der Ausgangsleitungen und der Hardware verkürzt sich auch die Dauer der Quantenschleife (d.h. Beschleunigen der Rückkopplungsrate oder mehr Zeit für Berechnung und Entscheidungsfindung), und außerdem werden mögliche Quellen von Störungen beseitigt, die sich längs der Ausgabeleitungen ausbreiten, oder von den aktiven Komponenten (d.h. Verstärkern) in den Ausgabeleitungen erzeugt werden. Das Quantensignal, das aus dem Quantensystem kommt und am Signalanschluss des zerstörungsfreien Photonendetektor reflektiert wird, kann unter Verwendung von quantenlimitierten Verstärkern verstärkt und unter Verwendung von üblichen Raumtemperatur-Ausrüstungen gemessen werden. Diese Fähigkeit kann für Zwecke des Austestens oder der Überwachung hilfreich sein.
Der Ausdruck „etwa“ und Variationen davon sollen den Fehlergrad bei der Messung der bestimmten Größe auf der Grundlage der Ausrüstung beinhalten, die zum Zeitpunkt des Einreichens 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 hierin unter Bezugnahme auf Ablaufpläne und/oder Blockschaltbilder bzw. Schaubilder von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Block der Ablaufpläne und/oder der Blockschaltbilder bzw. Schaubilder sowie Kombinationen von Blöcken in den Ablaufplänen und/oder den Blockschaltbildern bzw. Schaubildern mittels durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen ausgeführt werden können.
Die Ablaufpläne und die Blockschaltbilder bzw. Schaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Ausführungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in den Ablaufplänen oder Blockschaltbildern bzw. Schaubildern ein Modul, ein Segment oder einen Teil von Anweisungen darstellen, die eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Ausführung der bestimmten logischen Funktion(en) aufweisen. In einigen alternativen Ausführungen können die in dem Block angegebenen Funktionen in einer anderen Reihenfolge als in den Figuren gezeigt stattfinden. Zwei nacheinander gezeigte Blöcke können zum Beispiel in Wirklichkeit im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal je nach entsprechender Funktionalität in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist ferner anzumerken, dass jeder Block der Blockschaltbilder bzw. Schaubilder und/oder der Ablaufpläne sowie Kombinationen aus Blöcken in den Blockschaltbildern bzw. Schaubildern und/oder den Ablaufplänen durch spezielle auf Hardware beruhende Systeme umgesetzt werden können, welche die festgelegten Funktionen oder Schritte durchführen, oder Kombinationen aus Spezial-Hardware und Computeranweisungen ausführen.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden für Zwecke der Erläuterung dargestellt, es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass sie für die hier erläuterten 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 erklären oder um andere Fachleute zu befähigen, die hier erläuterten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Mikrowellenerfassungseinheit, die aufweist: einen zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellen-Photonendetektor; einen Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler, der mit dem zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellen-Photonendetektor verbunden ist; und ein dispersives nichtlineares Element, das mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler verbunden ist.
Mikrowellenerfassungseinheit nach Anspruch 1, wobei das dispersive nichtlineare Element so konfiguriert ist, dass es in einen Spannungszustand umschaltet, der ein Detektieren eines Mikrowellenphotons angibt.
Mikrowellenerfassungseinheit nach Anspruch 2, wobei der Spannungszustand bedeutet, dass über dem dispersiven nichtlinearen Element ein Spannungsabfall auftritt.
Mikrowellenerfassungseinheit nach Anspruch 1, wobei das dispersive nichtlineare Element in einen Nullspannungszustand konfiguriert wird, der kein Detektieren eines Mikrowellenphotons anzeigt.
Mikrowellenerfassungseinheit nach Anspruch 4, wobei der Nullspannungszustand bedeutet, dass über dem dispersiven nichtlinearen Element kein Spannungsabfall auftritt.
Mikrowellenerfassungseinheit nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem dispersiven nichtlinearen Element um einen Josephson-Übergang handelt.
Mikrowellenerfassungseinheit nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem dispersiven nichtlinearen Element um eine supraleitende Gleichstrom- (DC-) Quanteninterferenzeinheit (SQUID) handelt.
Mikrowellenerfassungseinheit nach Anspruch 1, wobei ein Isolator zwischen den Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler und das nichtlineare dispersive Element geschaltet ist.
Mikrowellenerfassungseinheit nach Anspruch 7, wobei der zerstörungsfreie Quanten-Mikrowellenphotonendetektor ein Mikrowellensignal und ein Pumpsignal empfängt, so dass das dispersive nichtlineare Element in einen Spannungszustand schaltet, wodurch ein Mikrowellenphoton in dem Mikrowellensignal detektiert wird.
Mikrowellenerfassungseinheit nach Anspruch 1, die ferner eine Messeinheit aufweist, die zum Detektieren eines Mikrowellenphotons durch Messen einer Spannung ungleich Null über dem dispersiven nichtlinearen Element konfiguriert ist.
Verfahren zum Bilden einer Mikrowellenerfassungseinheit, wobei das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen eines zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonendetektors; Bereitstellen eines Quadratur-Mikrowellen-Hybridkopplers, der mit dem zerstörungsfreien Quanten-Mikrowellenphotonendetektor verbunden ist; und Bereitstellen eines dispersiven nichtlinearen Elements, das mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das dispersive nichtlineare Element so konfiguriert ist, dass es in einen Spannungszustand schaltet, der ein Detektieren eines Mikrowellenphotons angibt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Spannungszustand bedeutet, dass über dem dispersiven nichtlinearen Element ein Spannungsabfall auftritt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das dispersive nichtlineare Element so konfiguriert ist, dass ein Nullspannungszustand anzeigt, dass kein Mikrowellenphoton detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Nullspannungszustand bedeutet, dass über dem dispersiven nichtlinearen Element kein Spannungsabfall auftritt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem dispersiven nichtlinearen Element um einen Josephson-Übergang handelt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem dispersiven nichtlinearen Element um eine DC-SQUID handelt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Isolator zwischen den Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler und das dispersive nichtlineare Element geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der zerstörungsfreie Quanten-Mikrowellenphotonendetektor so konfiguriert ist, dass er ein Mikrowellensignal und ein Pumpsignal empfängt, so dass das nichtlineare dispersive Element in einen Spannungszustand schaltet, wodurch ein Mikrowellenphoton in dem Mikrowellensignal detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Messeinheit so konfiguriert ist, dass sie ein Mikrowellenphoton durch Messen einer Spannung ungleich Null über dem dispersiven nichtlinearen Element detektiert.
Verfahren zum Detektieren eines Mikrowellenphotons, wobei das Verfahren aufweist: Empfangen eines reflektierten Mikrowellensignals von einer zerstörungsfreien Quanten-Mikrowelleneinheit durch einen Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler; und Feststellen des Vorhandenseins des Mikrowellenphotons auf der Grundlage eines dispersiven nichtlinearen Elements, das sich in einem Spannungszustand befindet, wobei das dispersive nichtlineare Element mit dem Quadratur-Mikrowellenhybridkoppler verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Mikrowellenphoton in ein Quantenmikrowellensignal in der zerstörungsfreien Quanten-Mikrowelleneinheit eingegeben wurde.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler einen Teil des reflektierten Mikrowellensignals an das dispersive nichtlineare Element ausgibt.
Verfahren zum Detektieren der Abwesenheit eines Mikrowellenphotons, wobei das Verfahren aufweist: Empfangen eines reflektierten Mikrowellensignals von einer zerstörungsfreien Quanten-Mikrowelleneinheit durch einen Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler; und Feststellen der Abwesenheit des Mikrowellenphotons auf der Grundlage eines dispersiven nichtlinearen Elements, das sich in einem Nullspannungszustand befindet, wobei das dispersive nichtlineare Element mit dem Quadratur-Mikrowellen-Hybridkoppler verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das dispersive nichtlineare Element, das sich in dem Nullspannungszustand befindet, anzeigt, dass kein Mikrowellenphoton von einer Quantenquelle in die zerstörungsfreie Quanten-Mikrowelleneinheit eingegeben wird.