DE112017004725T5

DE112017004725T5 - Summenfrequenzgenerator im mikrowellenbereich für anwendungen zur quanten-kommunikation und datenverarbeitung

Info

Publication number: DE112017004725T5
Application number: DE112017004725.0T
Authority: DE
Inventors: Baleegh Abdo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-06-19
Also published as: CN109845107B; JP2020504466A; US20180335683A1; WO2018073668A1; GB2571021B; GB201906384D0; US10108071B2; US10345678B2; GB2571021A; US9680452B1; CN109845107A; JP6788734B2; US20180107092A1

Abstract

Eine Technik bezieht sich auf eine Schaltung für einen Summenfrequenzgenerator. Ein erster Resonator ist mit einem Josephson-Ringmodulator (JRM) verbunden, und der erste Resonator ist so konfiguriert, dass er ein erstes Photon mit einer ersten Frequenz empfängt. Ein zweiter Resonator ist mit dem JRM verbunden, und der zweite Resonator ist so konfiguriert, dass er eine erste Harmonische und keine zweite Harmonische hat. Der zweite Resonator ist so konfiguriert, dass er ein zweites Photon mit einer zweiten Frequenz empfängt, und der erste Resonator ist so konfiguriert, dass er ein aufwärts umgesetztes Photon ausgibt. Das aufwärts umgesetzte Photon hat eine aufwärts umgesetzte Frequenz, die eine Summe der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ist.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf supraleitende elektronische Einheiten und insbesondere auf einen Summenfrequenzgenerator im Mikrowellenbereich für Anwendungen der Quanten-Kommunikation.
Quantenverschränkung ist ein physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn Paare oder Gruppen von Partikeln erzeugt werden oder auf solche Weise interagieren, dass der Quantenzustand jedes Partikels nicht unabhängig von den anderen beschrieben werden kann, selbst wenn die Partikel durch eine große Entfernung voneinander getrennt sind. Stattdessen muss ein Quantenzustand für das System als Ganzes beschrieben werden. Anders ausgedrückt, ein verschränktes System ist als ein System definiert, dessen Quantenzustand nicht als Produkt von Zuständen seiner lokalen Bestandteile betrachtet werden kann. Mit anderen Worten, es handelt sich nicht um individuelle Partikel, sondern um ein untrennbares Ganzes. Bei der Verschränkung kann ein Bestandteil nicht vollständig beschrieben werden, ohne den bzw. die anderen zu berücksichtigen. Es ist zu beachten, dass der Zustand eines Gesamtsystems stets als eine Summe oder Überlagerung von Produkten der Zustände lokaler Bestandteile ausgedrückt werden kann.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Schaltung für einen Summenfrequenzgenerator bereitgestellt. Die Schaltung enthält einen ersten Resonator, der mit einem Josephson-Ringmodulator (JRM) verbunden ist, wobei der erste Resonator so konfiguriert ist, dass er ein erstes Photon mit einer ersten Frequenz empfängt. Die Schaltung enthält einen zweiten Resonator, der mit dem JRM verbunden ist, und der zweite Resonator ist so konfiguriert, dass er eine erste Harmonische und keine zweite Harmonische hat. Der zweite Resonator ist so konfiguriert, dass er ein zweites Photon mit einer zweiten Frequenz empfängt, und der erste Resonator ist so konfiguriert, dass er ein aufwärts umgesetztes Photon ausgibt. Das aufwärts umgesetzte Photon hat eine aufwärts umgesetzte Frequenz, die eine Summe der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ist.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Bilden einer Schaltung für einen Summenfrequenzgenerator bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines ersten Resonators, der mit einem Josephson-Ringmodulator (JRM) verbunden ist, wobei der erste Resonator so konfiguriert ist, dass er ein erstes Photon mit einer ersten Frequenz empfängt. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines zweiten Resonators, der mit dem JRM verbunden ist, und der zweite Resonator ist so konfiguriert, dass er eine erste Harmonische und keine zweite Harmonische hat. Der zweite Resonator ist so konfiguriert, dass er ein zweites Photon mit einer zweiten Frequenz empfängt, und der erste Resonator ist so konfiguriert, dass er ein aufwärts umgesetztes Photon ausgibt. Das aufwärts umgesetzte Photon hat eine aufwärts umgesetzte Frequenz, die eine Summe der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ist.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Fernverschränken eines ersten Qubits und eines zweiten Qubits bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen einer Summenfrequenzgeneratorschaltung, die separat mit einem ersten Quantensystem und einem zweiten Quantensystem verbunden ist. Das erste Quantensystem enthält das erste Qubit, und das zweite Quantensystem enthält das zweite Qubit. Das Verfahren beinhaltet Fernverschränken des ersten Qubits und des zweiten Qubits. Fernverschränken beinhaltet Veranlassen, dass das erste Quantensystem ein erstes ausgegebenes Auslesesignal mit einer ersten Frequenz an den Summenfrequenzgenerator überträgt, und Veranlassen, dass das zweite Quantensystem ein zweites ausgegebenes Auslesesignal mit einer zweiten Frequenz an die Summenfrequenzgeneratorschaltung überträgt. Fernverschränken beinhaltet außerdem Ausgeben eines aufwärts umgesetzten ausgegebenen Auslesesignals durch den Summenfrequenzgenerator mit einer aufwärts umgesetzten Frequenz, die eine Summe der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ist, wodurch das erste Qubit und das zweite Qubit fernverschränkt werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Konfigurieren eines Mikrowellenverstärkers bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines ersten Summenfrequenzgenerators bis zu einem letzten Summenfrequenzgenerator und Bereitstellen einer ersten parametrischen Einheit zum spontanen Abwärtsumsetzen bis zu einer letzten parametrischen Einheit zum spontanen Abwärtsumsetzen. Jeder der ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren ist mit zwei von den ersten bis letzten parametrischen Einheiten zum spontanen Abwärtsumsetzen verbunden, so dass jeder von den ersten bis zum letzten Summenfrequenzgeneratoren von zwei der ersten bis letzten parametrischen Einheiten zum spontanen Abwärtsumsetzen gemeinsam genutzt wird. Die Gesamtzahl der ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren ist um eins kleiner als die Gesamtzahl der ersten bis letzten parametrischen Einheiten zum spontanen Abwärtsumsetzen.
Figurenliste

1 ist eine Konzeptansicht einer Anwendung für einen Summenfrequenzgenerator (SFG) in der Quanten-Kommunikation gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
2 ist eine schematische Darstellung einer SFG-Schaltung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
3 zeigt ein beispielhaftes Frequenzspektrum gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
4 zeigt ein beispielhaftes Frequenzspektrum gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
5 zeigt eine beispielhafte Implementierung der SFG-Schaltung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
6 zeigt ein System einer Anwendung, bei der die SFG-Schaltung zum Fernverschränken zwischen entfernten Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen genutzt wird.
7 zeigt ein System zum Verwenden der SFG-Schaltung zur Anwendung als Quantenmikrowellenverstärker gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
8 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Bilden einer Schaltung für den SFG gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
9 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Fernverschränken eines ersten Qubits und eines zweiten Qubits gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
10 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Mikrowellenverstärkers 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 eine Energie proportional zur Strahlungsfrequenz und hat eine Ruhemasse von Null.
Die Bell-Zustände sind ein Konzept in der Quanteninformationswissenschaft und repräsentieren das Wesen der Verschränkung. Sie unterliegen der Bell-Ungleichung. Ein EPR-Paar ist ein Paar von Qubits (Quantenbits), Teilchen oder Photonen, die sich zusammen in einem Bell-Zustand befinden, mit anderen Worten, miteinander verschränkt sind. Im Gegensatz zu klassischen Phänomenen wie elektromagnetische und Gravitationsfelder ist das Verschränken im Abstand von der Entfernung unabhängig und unterliegt keinen relativistischen Einschränkungen wie der Lichtgeschwindigkeit. Die Bell-Messung ist ein wichtiges Konzept in der Quanteninformationswissenschaft. Bei einer gemeinsamen quantenmechanischen Messung von zwei Qubits wird ermittelt, in welchem der vier Bell-Zustände sich die beiden Qubits befinden. Wenn die Qubits zuvor nicht in einem Bell-Zustand waren, werden sie in einen Bell-Zustand projiziert (gemäß der Projektionsregel von Quantenmessungen), und wenn Bell-Zustände miteinander verschränkt sind, handelt es sich bei einer Bell-Messung um eine Verschränkungsoperation.
Ein nützliches Merkmal der Verschränkung besteht darin, dass sie ausgetauscht werden kann. Bei zwei Paaren von verschränkten Photonen, z.B. A, B und C, D, bei denen jedes Paar durch einen separaten spontanen Photonen-Abwärtsumsetzer (SPDC) erzeugt wird, ist es beispielsweise möglich, die Photonen A und D (ohne dass sie miteinander interagieren müssen) zu verschränken, indem eine gemeinsame Messung der Photonen B und C in der Bell-Basis durchgeführt und das Ergebnis an A und D übermittelt wird. Eine Anwendung, bei der diese Quantenoperation (d.h. Verschränkungstausch) kann nützlich sein, ist die Quanten-Kommunikation. Insbesondere ermöglicht sie ein Implementieren von Quantenverstärkern. Beim Verwenden von linearen optischen Elementen zum Durchführen einer partiellen Bell-Messung in Verschränkungs-Austauschschemata (bei denen eine erfolgreiche Bell-Messung als ein Einleitungsereignis für das Erzeugen eines verschränkten Paares dient) treten jedoch mehrere Probleme auf. Ein Problem ist zum Beispiel, dass Quellen der spontanen parametrischen Abwärtsumsetzung (SPDC-Quellen) inhärent mehrere Paare verschränkter Photonen emittieren, was die Genauigkeit des verschränkten Zustands aufgrund einer erfolgreichen Bell-Messung verringert und das Verschränkungs-Austauschprotokoll ohne Nachauswahl der Ereignisse unbrauchbar macht, die einer Detektion an beiden Enden A und D entsprechen. Darüber hinaus ist die Nachauswahloperation zusätzlich zu einer Verringerung der Genauigkeit an sich nicht mit den Anforderungen an Schemata der einheitenunabhängigen Quantenschlüsselverteilung (DIQKD) kompatibel (die zum Durchführen von sicheren Quanten-Kommunikationen erforderlich sind). Weiterhin verursacht die Detektionslücke bei allen optischen Tests der Bell-Ungleichung Probleme, wobei nicht alle verschränkten Photonen aufgrund unvermeidbarer Verluste im Quantenkanal, Verluste bei der Kopplung zwischen der Photonenpaarquelle und dem Lichtwellenleiter und der endlichen Detektor-Effizienz erfasst werden. Ein Schließen dieser Lücke ist Voraussetzung für den Nachweis der DIQKD. Eine praktikable Lösung für dieses und andere Probleme, die in der Literatur vorgeschlagen wurden, ist ein Verwenden eines Summenfrequenzgenerators (der gewissermaßen als nichtlineares Filter dient) anstelle der linearen optischen Elemente, die zum Durchführen der Bell-Messung in dem Verschränkungsaustauschbetrieb/Protokoll verwendet werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Quanteneinheit bereitgestellt, die im Mikrowellenbereich arbeitet (z.B. 1 bis 30 Gigahertz (GHz)). Die Quanteneinheit ist in der Lage, nichtlineare optische Operationen auf dem Chip durchzuführen, insbesondere eine Summenfrequenzerzeugung, d.h. ein Paar von Mikrowellenphotonen, die mit Frequenzen f_S ,f_I und Impulsen k_S , k_I an den Anschlüssen der Quanteneinheit eintreten, in ein abgehendes Photon aufwärts umzusetzen, dessen Energie gleich der Summe der Energiewerte f_UPC = f_I + f_S und dessen Impuls gleich der Summe der Impulse k_UPC = k_I + k_S der Eingangsphotonen ist. Eine oder mehrere Ausführungsformen enthalten einen Summenfrequenzgenerator (Schaltung) im Mikrowellenbereich, der auf der Ebene von Einzelphotonen arbeitet und in verschiedenen Rollen in Anwendungen zur Quanteninformationsverarbeitung, insbesondere in der Quanten-Datenverarbeitung und in der Quanten-Kommunikation, genutzt werden kann.
In den Figuren ist 1 eine konzeptionelle Ansicht einer Anwendung für den Summenfrequenzgenerator in der Quanten-Kommunikation gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 1 zeigt SPDC 1 und SPDC 2, bei denen es sich um zwei unabhängige Photonenpaarquellen mit unkorrigierten Spektren handelt. Ein SFG ist mit jedem SPDC 1 und 2 verbunden. Mikrowellen-Einzelphotonendetektoren 11, 12 und 13 sind jeweils mit SPDC 1, SPDC 2 bzw. SFG verbunden.
Während des Betriebs werden separate Pumpsignale in SPDC 1 und 2 eingegeben. In diesem Beispiel wird das Pumpsignal 1 (mit der Frequenz ω_P1 = ω₂+ω₄) in SPDC 1 eingegeben, und das Pumpsignal 2 (mit der Frequenz ω_P2 = ω₁+ω₃) wird in SPDC 2 eingegeben. Die SPDC 1 ist so konfiguriert, dass sie beispielsweise ein Paar verschränkter Photonen entsprechend den Fock-Zuständen erzeugt. In ähnlicher Weise ist die SPDC 2 so konfiguriert, dass sie ein Paar verschränkter Photonen erzeugt.
Das von SPDC 1 erzeugte verschränkte Photonenpaar wird als Photon |1〉ω₄, das zum Photonendetektor 11 übertragen wird, und Photon |1〉ω₂ bezeichnet, das zu dem SFG übertragen wird. Das von SPDC 2 erzeugte verschränkte Photonenpaar wird als Photon |1〉ω₃, das zum Photonendetektor 12 übertragen wird, und Photon |1〉ω₁, bezeichnet, das zu dem SFG übertragen wird.
Der SFG ist so konfiguriert, dass er das Photon |1〉ω₁ und das Photon |1〉ω₂ empfängt und die beiden Photonen (|1〉ω₁ und |1〉ω₂) zu einem umgesetzten Photon |1〉ω₁ + ω₂ aufwärts umsetzt. Das umgesetzte Photon |1〉ω₁ + ω₂ kann als aufwärts umgesetztes Photon bezeichnet werden. Es wird angemerkt, dass die Frequenzen der durch SPDC 1 erzeugten Photonen ω₂ und ω₄ sind und die Frequenzen der von SPDC 2 erzeugten Photonen ω₁ und ω₃ sind. Dementsprechend ist das umgesetzte Photon |1〉ω₁ + ω₂ die Summenfrequenz von ω₁ + ω₂ . Durch Messen des umgesetzten (d.h. aufwärts umgesetzten) Photons |1〉ω₁ + ω₂ mit einem Mikrowellen-Einzelphotonendetektor leitet das umgesetzte Photon die Verschränkung der beiden anderen Photonenzustände aus der Ferne ein. Mit anderen Worten, ein Messen des umgesetzten (d.h. aufwärts umgesetzten) Photons |1〉ω₁ + ω₂ bestätigt mit einer bestimmten Sicherheit die Verschränkung von Photonen |1〉ω₃ und |1〉ω₄, die voneinander entfernt sind. Ferner führt dieses Schema zu einem Photonentriplett-Zustand, bei dem drei Photonen verschränkt sind. Bei dem Photonentriplett-Zustand der drei verschränkten Photonen handelt es sich um die Verschränkung des umgesetzten Photons |1〉ω₁ + ω₂ , des Photons |1〉ω₃ und des Photons |1〉ω₄.
2 ist eine schematische Darstellung einer SFG-Schaltung 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Bei der SFG-Schaltung 100 handelt es sich um eine Mikrowelleneinheit oder Quanteneinheit. Die SFG-Schaltung 100 enthält einen Anschluss 150A und einen Anschluss 150B. Der Anschluss 150A kann mit einem Breitband-180-Grad-Hybridkoppler 120A verbunden sein, und der Anschluss 150B kann mit einem Breitband-180-Grad-Hybridkoppler 120B verbunden sein. Die 180-Grad-Hybridkoppler 120A und 120B haben jeweils einen Differenz- (Δ-) Anschluss und einen Summen- (Σ-) Anschluss. Bei dem 180-Grad-Hybridkoppler 120A ist das Signal (S) mit dem Δ-Anschluss verbunden, und das aufwärts umgesetzte (UPC-) Signal ist mit dem Σ-Anschluss verbunden. Bei dem 180-Grad-Hybridkoppler 120B ist das Signal Leerlauf (Idler) (I) mit dem Δ-Anschluss verbunden, und ein Abschlussimpedanzpunkt (z.B. eine Abschlussumgebung mit 50 Ohm (Ω)) ist mit dem Σ-Anschluss verbunden.
Bei einem 180-Grad-Hybridkoppler handelt es sich um eine Mikrowelleneinheit mit 4 Anschlüssen, die reziprok, angepasst und idealerweise verlustfrei ist. Der 180-Grad-Hybridkoppler teilt ein Eingangssignal in zwei Ausgänge gleicher Amplitude auf. Wenn er von seinem Summenanschluss (Σ) gespeist wird, stellt der 180-Grad-Hybridkoppler zwei Ausgangssignale gleicher Phase und gleicher Amplitude bereit. Wenn er von seinem Differenzanschluss (Δ) gespeist wird, stellt er zwei um 180 ° phasenverschobene Ausgangssignale gleicher Amplitude bereit.
Die SFG-Schaltung 100 enthält einen Josephson-Übergang-Ringmodulator (JRM) 110. Der JRM 110 umfasst mehrere Josephson-Übergänge (JJ) 130, die miteinander verbunden sind, um die Schleife/den Ring in dem JRM 110 zu bilden, der einer Wheatstone-Brücke ähnelt. In einer Implementierung kann der JRM 110 auch JJs 131 in der Schleife enthalten, so dass ein Ende jedes JJ 131 mit einem Knoten der Schleife des JRM 110 verbunden ist, während das andere Ende jedes JJ 131 mit den anderen JJs 131 verbunden ist. Dem Fachmann ist klar, dass ein erzeugter Magnetfluss Φ die Schleife des MJRM 110 durchsetzt, und das Magnetfeld kann durch eine magnetische Quelle 180, z.B. eine Magnetspule, erzeugt werden. In diesem Beispiel ist der magnetische Fluss Φ, der jede der reduzierten inneren Schleifen des JRM durchsetzt, Φ_ext/4.
Ein Signalresonator 162 enthält zwei Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen 12A und 12B. Eine Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung 12A ist mit dem Knoten A verbunden, und die andere Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung 12B ist mit dem Knoten B des JRM 110 verbunden. Diese beiden Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen und der JRM 110 bilden einen Mikrowellenresonator mit Halbwellenlängen- (λ_s/2-) Übertragungsleitung für die Grundmode, deren Wellenlänge λ_s ist, was mit der Wellenlänge des eingegebenen Mikrowellensignals 152 übereinstimmt. Die Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen 12A und 12B des Signalresonators 162 sind mit gegenüberliegenden Enden des JRM 110A verbunden.
Ein Leerlaufresonator 161 enthält zwei Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 11A und 11B, die jeweils den Wert 2C_B haben, wobei C die Kapazität darstellt. Ein Kondensator mit konzentrierten Elementen 11A ist mit dem Knoten C verbunden, und der andere Kondensator mit konzentrierten Elementen 11B ist mit dem Knoten D des JRM 110 verbunden. Die Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 11A und 11B des Leerlaufresonators 161 sind mit entgegengesetzten Enden des JRM 110 verbunden.
Der Leerlaufresonator 161 und der Signalresonator 162 verwenden oder nutzen den JRM 110 gemeinsam. In einer Implementierung haben der Leerlaufresonator 161 und der Signalresonator 162 die gleiche Resonanzfrequenz, wie in dem Frequenzspektrum von 3 dargestellt. In einer anderen Implementierung haben der Leerlaufresonator 161 und der Signalresonator 162 unterschiedliche Resonanzfrequenzen, wobei der Leerlaufresonator 161 eine höhere Resonanzfrequenz als der Signalresonator 162 hat, wie in dem Frequenzspektrum von 4 dargestellt.
Eine Mikrowellenkomponente/ein Element wird als konzentriert (im Unterschied zu verteilt) beschrieben, wenn ihre/seine Abmessungen sehr klein sind im Vergleich zu der Wellenlänge der minimalen Arbeitsfrequenz (z.B. kleiner sind als 1/10 der Wellenlänge, die der minimalen Betriebsfrequenz der Einheit entspricht). Zum Beispiel werden Josephson-Übergänge in sehr guter Näherung als konzentrierte nichtlineare Spulen für Mikrowellensignale im Bereich von 1 bis 20 GHz betrachtet.
Die SFG-Schaltung 100 enthält Koppelkondensatoren 20A und 20B, die den Anschluss 150A mit dem Signalresonator 162 verbinden. Die SFG-Schaltung 100 enthält außerdem Koppelkondensatoren 20C und 20D, die den Anschluss 150B mit dem Leerlaufresonator 161 verbinden. Das Koppelkondensatorpaar 20A, 20B (und das Paar 20C und 20D) haben jeweils den gleichen Wert, und dieser Wert wird bei den Koppelkondensatoren 20A, 20B mit Cc_A und bei den Koppelkondensatoren 20C, 20D mit Cc_B bezeichnet. Der Wert der Koppelkondensatoren 20A, 20B, 20C und 20D wird im Wesentlichen so festgelegt, dass durch ihn eine gewünschte Bandbreite für den Leerlaufresonator 161 und den Signalresonator 162 eingestellt wird (ohne die Stabilität der Einheit zu beeinträchtigen, wie es einem Fachmann klar wäre).
Das Leerlauf-Mikrowellensignal/der Ton 151 hat die Frequenz f_I, und das Signal-Mikrowellensignal/der Ton 152 hat die Frequenz f_S . Das aufwärts umgesetzte Mikrowellensignal/der Ton 153 hat die Frequenz f_UPC . Das Leerlauf-Mikrowellensignal 151 (LeerlaufPhoton) und das Signal-Mikrowellensignal 152 (Signal-Photon) werden in die SFG-Schaltung 100 eingegeben und aufwärts umgesetzt, um das aufwärts umgesetzte Mikrowellensignal 153 (aufwärts umgesetztes Signal) zu erzeugen.
Eigenschaften der SFG-Schaltung 100 werden im Folgenden erläutert. Der Signalresonator 162 kann außerdem als Resonator a bezeichnet werden und der Signalresonator 162 hat die Resonanzfrequenz f_a . Der Leerlaufresonator 161 kann außerdem als Resonator b bezeichnet werden, und der Leerlaufresonator 161 hat die Resonanzfrequenz f_b . Der Signalresonator 162 und der Leerlaufresonator 161 sind so ausgelegt, dass ihre Resonanzfrequenzen (f_a und f_b ) gleich oder etwa gleich sind, so dass f_a~f_b. Der Leerlaufresonator 161 ist ein Resonator mit konzentrierten Elementen und hat keine zweite Harmonische. Der Signalresonator 162 ist kein Resonator mit konzentrierten Elementen und hat eine zweite Harmonische mit einer Resonanzfrequenz f_c . Die zweite Harmonische des Resonators a mit der Resonanzfrequenz f_c erfüllt die Beziehung f_c = 2f_a. Die zweite Harmonische des Resonators a mit der Resonanzfrequenz f_c wird der Einfachheit halber als Resonanzfrequenz des Resonators c bezeichnet.
Die Frequenz f_S (Signal-Mikrowellensignal 152) und die Frequenz f_I (Leerlauf-Mikrowellensignal 151) liegen in der Einheitenbandbreite des SFG 100 und haben die Eigenschaft, dass sie gleich oder etwa gleich sind, so dass f_S~f_I. Beispielsweise können die Frequenzen f_S = f_I = 7 GHz sein. Die Frequenz f_UPC des aufwärts umgesetzten Signals 153 (d.h. das aufwärts umgesetzte Photon) ist die Summe der Frequenzen f_S und f_I , so dass die ausgegebene aufwärts umgesetzte Frequenz f_UPC die Beziehung f_UPC = f_S + f_I (z.B. 14 GHz) erfüllt. Die Summenfrequenz f_UPC des aufwärts umgesetzten Photons liegt in der Bandbreite des 2f_a -Resonanzmodus.
Der Signalresonator 162 (Resonator a) hat eine Bandbreite, die mit γ_a bezeichnet wird, und der Leerlaufresonator 161 (Resonator b) hat eine Bandbreite, die mit γ_b bezeichnet wird. Die zweite Harmonische des Signalresonators 162 hat eine Bandbreite, die mit γ_c. bezeichnet wird. Mit anderen Worten, der Resonator c hat eine Bandbreite, die mit γ_c bezeichnet wird. Die Bandbreiten erfüllen die Beziehung γ_a ~ γ_b < γ_c.
Außerdem erfüllen die Bandbreiten die Beziehung γ_a, γ_b < g₃,γ_2ph < γ_c, wobei g₃ die Kopplungskonstante zwischen den drei Moden a, b und c ist und die Rate kennzeichnet, mit der ein Paar von Signal- und Leerlaufphotonen in der SFG-Schaltung 100 aufwärts umgesetzt wird, wobei γ_2ph die Rate ist, mit der Signal- und Leerlaufphotonen (über Signal- und Leerlauf-Mikrowellensignale 152 und 151) ihre jeweiligen Anschlüsse 150A und 150B verlassen (d.h., in der Betriebsart Reflexion ausgegeben werden), und wobei $γ_{2 p h} = 4 g_{3}^{2} / γ_{c} .$
In der SFG-Schaltung 100 muss die Bandbreite γ_c größer sein als die Bandbreite γ_a und die Bandbreite γ_b, derart, dass das aufwärts umgesetzte Photon (d.h. das aufwärts umgesetzte Photon in dem aufwärts umgesetzten Signal 153) die SFG-Schaltung 100 rechtzeitig verlässt und aufgrund seiner größeren Bandbreite verhindert, dass das aufwärts umgesetzte Photon die Gelegenheit hat, aufwärts umgesetzt zu werden. Es wird angemerkt, dass ein 3-Wellen-Mischvorgang (nichtlineares Mischen), der in dem SFG stattfindet, das aufwärts umgesetzte Photon aus dem Signalphoton und dem Leerlaufphoton erzeugt.
Der SFG 100, der die Kondensatoren 10A bis B und 20A bis D enthält, die Übertragungsleitungen 30, die Josephson-Übergänge 130, 131 und die Anschlüsse 150A und 150B sind (mit Ausnahme des dielektrischen Werkstoffs in den Kondensatoren und mit Ausnahme des dünnen Isolierwerkstoffs der Josephson-Übergänge 130, 131) aus supraleitendem Werkstoff hergestellt. Zusätzlich sind die Hybridkoppler 120A und 120B aus verlustarmen normalen Metallen hergestellt oder können aus supraleitendem Werkstoff hergestellt sein. Zu Beispielen supraleitender Werkstoffe (bei niedrigen Temperaturen, wie etwa 10 bis 100 Millikelvin (mK) oder etwa 4 K) gehören Niob, Aluminium, Tantal usw.
3 zeigt ein beispielhaftes Frequenzspektrum 300 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. In diesem Beispiel stimmen die Resonanzfrequenz f_a des Signalresonators 162 (d.h. des Resonators a) und der Resonanzfrequenz f_b des Leerlaufresonators 161 (Resonator b) miteinander überein (d.h., sie sind gleich oder etwa gleich), wie durch die Kurve 305 gezeigt. In dem Frequenzspektrum 300 sind die Bandbreiten des Signalresonators 162 und des Leerlaufresonators 161 gleich oder etwa gleich (γ_a~γ_b).
Das Signalphoton (das austauschbar mit dem Signal-Mikrowellensignal 152 verwendet werden kann) wird mit der Frequenz f_S eingegeben, und die Frequenz f_S liegt in der Bandbreite des Signalresonators 162 (Resonator a). Das Leerlaufphoton (das austauschbar mit dem Leerlauf-Mikrowellensignal 151 verwendet werden kann) wird mit der Frequenz f_I eingegeben, und die Frequenz f_I liegt in der Bandbreite des Leerlaufresonators 161 (Resonator b). In einer Implementierung kann die Frequenz f_S etwa gleich der Resonanzfrequenz f_a sein, und die Frequenz f_I kann etwa gleich der Resonanzfrequenz sein f_b .
Da der Signalresonator 162 eine zweite harmonische Resonanzmode hat (als Resonanzmode des Resonators c bezeichnet) und wegen der Wechselwirkung in dem JRM 110, werden die Signal- und Leerlaufphotonen kombiniert und werden zu einem Photon aufwärts umgesetzt (gekennzeichnet als das aufwärts umgesetzte Photon des aufwärts umgesetzten Signals 153), dessen Energie die Summe der Energiewerte der Signal- und Leerlaufphotonen ist. Das aufwärts umgesetzte Photon hat eine Frequenz f_UPC = f_c = 2 · f_a. Mit anderen Worten, die Frequenz f_UPC liegt bei der zweiten Harmonischen des Signalresonators 162 (Resonator a), die etwa das 2-Fache der Signalresonanzfrequenz f_a des Signalresonators 162 ist. Die Bandbreite γ_c der zweiten Harmonischen (d.h. des Resonators c) beträgt etwa das 8-Fache der Bandbreite γ_a des Signalresonators 162 (Resonator a), so dass γ_c~8 · γ_a. Bei einer anderen Implementierung kann die Bandbreite γ_c etwa 7, 8, 9 und/oder 10 mal höher sein als die Bandbreite γ_a . Das Frequenzspektrum in 3 erfüllt die Beziehung γ_a, γ_b < g₃, γ_2ph < γ_c.
4 zeigt ein beispielhaftes Frequenzspektrum 400 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. In diesem Beispiel fallen die Resonanzfrequenz f_a des Signalresonators 162 (d.h. des Resonators a) und der Resonanzfrequenz f_b des Leerlaufresonators 161 (Resonator b) nicht zusammen, wie durch die Kurven 405 und 410 gezeigt ist. Im Frequenzspektrum 400 sind die Bandbreiten des Signalresonators 162 und des Leerlaufresonators 161 getrennt (γ_a~γ_b) und fallen nicht zusammen.
Das Signalphoton (des Signal-Mikrowellensignals 152) wird mit der Frequenz f_S eingegeben, und die Frequenz f_S liegt in der Bandbreite γ_a des Signalresonators 162 (Resonator a). Das Leerlaufphoton (des Leerlauf-Mikrowellensignals 151) wird mit der Frequenz f_I eingegeben, und die Frequenz f_I liegt in der Bandbreite γ_b des Leerlaufresonators 161 (Resonator b).
Da der Signalresonator 162 eine zweite harmonische Resonanzmode hat (als Resonanzmode des Resonators c bezeichnet) und wegen der Wechselwirkung in dem JRM 110, werden die Signal- und Leerlaufphotonen kombiniert und zu einem Photon aufwärts umgesetzt (gekennzeichnet als das aufwärts umgesetzte Photon des aufwärts umgesetzten Signals 153), dessen Energie die Summe der Energiewerte der Signal- und Leerlaufphotonen ist. Im Gegensatz zu 3 zeigt das Frequenzspektrum 400 in 4, dass das aufwärts umgesetzte Photon eine Frequenz f_UPC = f_c = f_a+ f_b hat. Obwohl f_c für einen gleichförmigen Übertragungsleitungsresonator 2f_a sein sollte, können die Spulen (d.h. JJs 130) die Frequenz der zweiten harmonischen Resonanzmode des Signalresonators 162 verzerren. In einem solchen Fall kann eine Ausführungsform konstruiert werden, bei der die Resonanzfrequenzen f_a und f_b für die Resonatoren a und b unterschiedlich sind und deren Summe f_c ist. Der Signalresonator 162 (Resonator a) kann beispielsweise gemäß einer vorbestimmten Länge der Übertragungsleitung, die den Resonator 162 bildet (und der induktiven Belastung des JRM 110) eingestellt werden, um eine bestimmte Grundresonanzfrequenz f_a und eine zweite harmonische Resonanzfrequenz f_c zu erhalten. Anschließend kann der Wert der Resonanzfrequenz f_b des Leerlaufresonators 161 so ausgelegt sein, dass er gleich der Differenz zwischen der Resonanzfrequenz f_c und f_a ist.
Der Leerlaufresonator 161 ist so aufgebaut, dass seine Resonanzfrequenz f_b ist etwas höher ist als die Resonanzfrequenz f_a des Signalresonators 162, um den Zustand f_c = f_a+ f_b zu erreichen. Zum Beispiel kann die Resonanzfrequenz f_a 7 GHz sein, und die Resonanzfrequenz der zweiten Harmonischen f_c kann 15 GHz sein. In diesem Szenario ist die Resonanzfrequenz f_c der zweiten Harmonischen höher als 2 · f_a , und in diesem Fall ist f_b = 8 GHz so ausgelegt, dass sie höher ist als f_a , wie im Frequenzspektrum 400 dargestellt.
Wie in 3 erläutert beträgt die Bandbreite γ_c der zweiten Harmonischen (d.h. des Resonators c) etwa das 8-Fache der Bandbreite γ_a des Signalresonators 162 (Resonator a), so dass γ_c~8·γ_a. Bei einer anderen Implementierung kann die Bandbreite etwa 7, 8, 9 und/oder 10 mal größer sein als die Bandbreite γ_a. Das Frequenzspektrum in 4 erfüllt die Beziehung γ_a, γ_b < g₃, γ_2ph < γ_c.
Zu Erläuterungszwecken wird ein Gestaltungsbeispiel mit möglichen experimentellen Parametern für die SFG-Schaltung 100 bereitgestellt. Zu den Parametern gehören I₀ = 2 · 10^-7 Ampere (A), wobei I₀ der kritische Strom der äußeren JJs 130 des JRM 110 ist (die nominell identisch sind), L_J0 = 1,6 Nanohenry (nH), wobei L_J0 ist die Induktivität der äußeren JJs 130 für den in dem JRM angewendeten Fluss null ist, und L_J = 2,3 nH, wobei L_J die Induktivität für jeden JJ 130 für einen bestimmten Arbeitspunkt der Einheit ist, der dem angelegten Fluss Φ_ext ~ Φ₀/2 entspricht, wobei Φ₀ das Flussquantum ist. Die inneren JJs 131 sind vorhanden, um der Einheit eine Frequenzabstimmbarkeit hinzuzufügen, wie dem Fachmann klar ist. Im Allgemeinen ist der kritische Strom dieser JJs 131 so ausgelegt, dass er ungefähr 2,5-mal größer ist als I₀ der äußeren JJs 130. Zu zusätzlichen Parametern gehören γ_a,b/2π = 20 Megahertz (MHz), γ_c/2π = 160 MHz, f_a = 6 GHz, f_b = 7,3 GHz, f_c = 13,3 GHz, C_B = 171 Femtofarad (fF), g₃/2π = 65 MHz, und κ_2ph/2π = 105 MHz. Diese Parameter erfüllen die Ungleichheitsanforderung γ_a, γ_b < g₃, γ_2ph < γ_c.
5 ist eine beispielhafte Implementierung der SFG-Schaltung 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. In 5 ist der Halbwellenübertragungsleitungsresonator (d.h. 12A und 12B zusammen mit dem JRM 110) des Signalresonators 162 als Mikrostreifen, Streifenleitungen, koplanarer Wellenleiter usw. implementiert.
Bei den Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 11A und 11B des Leerlaufresonators 161 handelt es sich um Kondensatoren, die eine gemeinsame Grundplatte oder eine gemeinsame Verbindung mit einer Grundplatte haben, die nicht gezeigt ist, und die gemeinsame Grundplatte liegt auf einer anderen Ebene (d.h., sie ist nicht koplanar mit den oberen Platten von 11A und 11B). Zum Beispiel befindet sich dielektrischer Werkstoff unter jeder oberen Platte der Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 11A und 11B, und die Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 11A und 11B teilen sich eine gemeinsame Grundplatte, die mit Masse verbunden ist. Die Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 11A und 11B sind mit dem JRM 110 verbunden.
Der Resonator mit Halbwellenübertragungsleitung (d.h. 12A, 12B und der JRM 110) des Signalresonators 162 ist über Koppelkondensatoren 20A und 20B, die in 5 in Form von Spalt-Kondensatoren gezeigt sind, mit den Zuleitungen für das Signal und das aufwärts umgesetztes Signal verbunden (wobei andere Formen von Kondensatoren wie Plattenkondensatoren und verzahnte Kondensatoren möglich sind). In ähnlicher Weise sind die Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 11A und 11B des Leerlaufresonators 161 über Koppelkondensatoren 20C und 20D mit den Leerlaufzuleitungen verbunden. Die Zuleitungen für das Signal/das aufwärts umgesetzte Signal und die Leerlauf-Zuleitung wirken als die jeweiligen Anschlüsse 150A und 150B, die mit den entsprechenden 180-Grad-Hybridkopplern 120A und 120B verbunden sind. Bei den Zuleitungen für das Signal/das aufwärts umgesetzte Signal und bei der Leerlauf-Zuleitung kann es sich um Übertragungsleitungen handeln.
6 zeigt ein System 600 einer Anwendung, die die SFG-Schaltung 100 zum Fernverschränken zwischen entfernten Qubits 611 und 612 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen nutzt. Das System 600 enthält die SFG-Schaltung 100, die mit dem Qubit-Hohlraum-System 601 und dem Qubit-Hohlraum-System 602 verbunden ist. Das Qubit-Hohlraum-System 601 enthält einen mit dem Qubit 611 verbundenen Hohlraum. Das Qubit-Hohlraum-System 602 enthält einen mit dem Qubit 612 verbundenen Hohlraum. Die Qubit-Hohlraum-Systeme 601 und 602 sind um einen Abstand L voneinander entfernt. Bei einer On-Chip-Implementierung kann der Abstand L beispielsweise 3 cm betragen. Bei einer anderen Implementierung mit separaten Chips kann der Abstand L 1 m (Meter) betragen.
Nun wird die beispielhafte Funktion des Systems 600 erläutert. Ein Eingabe-Auslesesignal 605 mit der Frequenz ω_r + ω wird in das Qubit-Hohlraum-System 601 eingegeben. Das Qubit-Hohlraum-System 601 gibt das Ausgabe-Auslesesignal 605' mit der Frequenz ω_r + ω aus, und die SFG-Schaltung 100 empfängt das Ausgabe-Auslesesignal 605' mit der Frequenz ω_r + ω (d.h. das Mikrowellensignal 152). Das Ausgabe-Auslesesignal 605' mit einer Frequenz ω_r + ω kann in den Δ-Eingang des Hybridkopplers 120A des Anschlusses 150A der SFG-Schaltung 100 eingegeben werden. Das Ausgabe-Auslesesignal 605' enthält Zustandsinformationen des Qubits 611. Ein Fachmann versteht, dass das Qubit-Hohlraum-System 601 einen Hohlraum oder Ausleseresonator enthält, der mit dem Qubit 611 derart verbunden ist, dass der Hohlraum oder Ausleseresonator das Ausgabe-Auslesesignal 605' als Reaktion auf das Eingabe-Auslesesignal 605 überträgt.
Ein Eingabe-Auslesesignal 610 mit Frequenz ω_r - ω wird in das Qubit-Hohlraum-System 602 eingegeben. Das Qubit-Hohlraum-System 602 gibt das Ausgabe-Auslesesignal 610' mit der Frequenz ω_r - ω aus, und die SFG-Schaltung 100 empfängt das Ausgabe-Auslesesignal 610' mit der Frequenz ω_r - ω (d.h. das Leerlaufmikrowellensignal 151). Das Ausgabe-Auslesesignal 610' mit einer Frequenz ω_r - ω kann in den Δ-Eingang des Hybridkopplers 120B des Anschlusses 150B der SFG-Schaltung 100 eingegeben werden. Das Ausgabe-Auslesesignal 610' enthält Zustandsinformationen des Qubits 612. Der Fachmann versteht, dass das Qubit-Hohlraum-System 602 einen Hohlraum oder Ausleseresonator enthält, der mit dem Qubit 612 derart verbunden ist, dass der Hohlraum oder Ausleseresonator das Ausgabe-Auslesesignal 610' als Reaktion auf das Eingabe-Auslesesignal 610 überträgt.
Das Ausgabe-Auslesesignal 605' ist mit den Ausgabe-Auslesephotonen 605' austauschbar, und das Ausgabe-Auslesesignal 610' ist mit den Ausgabe-Auslesephotonen 610' austauschbar. Die Ausgabe-Auslesephotonen 605' können zum Beispiel eine Überlagerung des angeregten Zustands |e₁ 〉 und des Grundzustands |g₁ 〉 des Qubits zeigen, wodurch die Qubit-Zustandsinformation des Qubits 611 enthalten sind. Das Ausgabe-Auslesephoton 610' kann beispielsweise eine Überlagerung des angeregten Zustands |e₂ 〉 und des Grundzustands |g₂〉 des Qubits zeigen, wodurch die Qubit-Statusinformationen des Qubits 612 enthalten sind.
Die SFG-Schaltung 100 ist so konfiguriert, dass sie in Reaktion auf ein Empfangen des Ausgabe-Auslesephotons 605' mit der Frequenz ω_r + ω und des Ausgabe-Auslesephotons 610' mit der Frequenz ω_r - ω die Photonen 605' und 610' aufwärts umsetzt, wodurch sich das (aufwärts umgesetzte) umgesetzte Photon 615 (Ausgabe-Auslesesignal) mit der Frequenz 2 · ω_r ergibt. Die Frequenz der aufwärts umgesetzten Photonen 615 ist eine Summe der Frequenzen ω_r + ω) + (ω_r - ω), woraus sich 2ω_r ergibt.
Bei den umgesetzten Photonen 610 (Ausgabe-Auslesesignal) handelt es sich um eine Überlagerung der folgenden Zustände: |e₁e₂〉, |e₁g₂〉, |g₁g₂〉, |g₁,e₂〉. Die umgesetzten Photonen 615 (oder die Messung des umgesetzten Photons 615) leiten die Fernverschränkung entfernter Qubits 611 und 612 ein, die voneinander entfernt sind. Die umgesetzten Photonen 610 (d.h. die aufwärts umgesetzten Photonen 153) können über den Σ-Ausgang des Hybridkopplers 120A des Anschlusses 150A der SFG-Schaltung 100 ausgegeben werden.
7 ist ein System 700 zum Verwenden der SFG-Schaltung 100 zur Anwendung als Quantenmikrowellenverstärker gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Bei einem Quantenmikrowellenverstärker (oder Quantenverstärker) handelt es sich um eine unverzichtbare Technologie zum Aufbauen eines sicheren photonischen Netzwerks für große Entfernungen. Um ein Verschränken zwischen zwei entfernten Empfängern zu verteilen, sind Verschränkungs-Austauschvorgänge an dazwischenliegenden Quantenverstärkerknoten erforderlich. Dementsprechend kann das System 700 als Quantenverstärkerknoten an vordefinierten Orten im Kommunikationssystem dienen.
Das beispielhafte System 700 enthält die Umsetzer SPDC 1, SPDC 2 und SPDC 3. Die SPDCs 1, 2, 3 können voneinander einen Abstand L haben. Bei einer Implementierung kann es sich bei den SPDCs 1, 2, 3 jeweils um einen nicht entarteten parametrischen Verstärker handeln, wie beispielsweise ein Parametrischer Josephson-Umsetzer (JPC). Jeder SPDC 1, 2, 3 ist zu Erklärungszwecken mit einer SFG-Schaltung 100 gekoppelt, die als SFG 100_1 bzw. 100_2 bezeichnet wird. Bei jedem SPDC 1, 2, 3 handelt es sich um eine unabhängige Photonenpaarquelle mit unkorrelierten Spektren. Jeder SPDC 1, 2, 3 empfängt sein eigenes Pumpsignal (nicht gezeigt) und erzeugt dann ein Paar verschränkter Photonen.
In 700 ist der SPDC 1 so konfiguriert, dass er verschränkte Photonen 701 und 702 erzeugt. Das Photon 701 hat die Frequenz ω₁, während das Photon 702 die Frequenz ω₂ hat. Das Photon 702 wird vom SPDC 1 zum SFG 100_1 übertragen.
Der SPDC 2 ist so konfiguriert, dass er verschränkte Photonen 703 und 704 erzeugt. Das Photon 703 hat die Frequenz ω₃ , während das Photon 704 die Frequenz ω₄ hat. Das Photon 703 wird vom SPDC 2 zum SFG 100_1 übertragen. Das Photon 704 wird vom SPDC 2 zum SFG 100_2 übertragen.
Der SPDC 3 ist so konfiguriert, dass er verschränkte Photonen 705 und 706 erzeugt. Das Photon 705 hat die Frequenz ω₅ , während das Photon 706 die Frequenz ω₆ hat. Das Photon 705 wird vom SPDC 3 zum SFG 100_2 übertragen.
Der SFG 100_1 so konfiguriert, dass er in Reaktion auf ein Empfangen der Photonen 702 und 703 mit den Frequenzen ω₂ und ω₃ das Photon 723 mit der Frequenz ω₂ + ω₃ erzeugt. Der SFG 100_1 sendet das Photon 723 an den Photonen-Mikrowellendetektor 11, wo der Photonen-Mikrowellendetektor 11 das Photon 723 detektiert. Für den SFG 100_1 können die Photonen 702 und 703 als die Signal- und Leerlaufphotonen 152, 151 über die Anschlüsse 150A bzw. 150B empfangen werden.
Der SFG 100_2 so konfiguriert, dass er in Reaktion auf ein Empfangen der Photonen 704 und 705 mit den Frequenzen ω₄ und ω₅ das Photon 745 mit der Frequenz ω₄ + ω₅ erzeugt. Der SFG 100_2 sendet das Photon 745 an den Photonen-Mikrowellendetektor 12, wo der Photonen-Mikrowellendetektor 12 das Photon 745 detektiert. Für den SFG 100_2 können die Photonen 704 und 705 als die Signal- und Leerlaufphotonen 152, 151 über die Anschlüsse 150A bzw. 150B empfangen werden.
Das Detektieren des Photons 723 (|1〉ω₂+ω₃) durch den Photonendetektor 11 und das Detektieren des Photons 745 durch den Photonendetektor 12 (|1〉ω₄+ω₅) leitet das Fernverschränken von Photonen 701 (|1〉ω₁) und 706 ((|1〉ω₆) ein. Das verschränkte Photonenpaar 701 und 706 wird auf der Grundlage von Verschränkungstausch erzeugt.
Es sollte beachtet werden, dass 7 ein Beispiel eines Quantenverstärker-Setup zeigt, der ein Array aus drei SPDCs und zwei SFGs enthält, der Setup kann jedoch bei Bedarf auf N SPDCs mit einem Abstand L zwischen ihnen und N-1 SFGs (mit einem SFG zwischen zwei aufeinanderfolgenden SPDCs verallgemeinert/erweitert werden).
8 ist ein Ablaufplan 800 eines Verfahrens zum Bilden einer Schaltung für einen Summenfrequenzgenerator 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Im Block 805 wird ein erster Resonator 162 (z.B. Signalresonator) mit einem Josephson-Ringmodulator (JRM) 110 verbunden. Der erste Resonator 162 ist so konfiguriert, dass er ein erstes Photon 152 (z.B. Signal-Mikrowellensignal) mit einer ersten Frequenz f_S empfängt, die in der Bandbreite des Grundresonanzmodus bei f_a liegt.
Im Block 810 wird ein zweiter Resonator 161 (z.B. Leerlaufresonator) mit dem JRM 110 verbunden, und der zweite Resonator 161 ist so konfiguriert, dass er eine erste Harmonische und keine zweite Harmonische hat. Der zweite Resonator 161 ist so konfiguriert, dass er ein zweites Photon 151 (z.B. Leerlauf-Mikrowellensignal) mit einer zweiten Frequenz f_I empfängt, die in der Bandbreite des Grundresonanzmodus bei f_b liegt, und der erste Resonator 162 ist so konfiguriert, dass er ein aufwärts umgesetztes Photon 153 (z.B. aufwärts umgesetztes Signal) ausgibt. Das aufwärts umgesetzte Photon 153 hat eine aufwärts umgesetzte Frequenz f_UPC , bei der es sich um eine Kombination der ersten Frequenz f_S und der zweiten Frequenz f_I handelt.
Eine Grundresonanzfrequenz ist für den ersten Resonator (f_a ) und den zweiten Resonator (f_b ) ungefähr gleich. Die erste Frequenz (f_S ) des ersten Photons 152 und die zweite Frequenz (f_I ) des zweiten Photons 151 sind ungefähr gleich. Es kann auf 3 Bezug genommen werden.
Eine Grundresonanzfrequenz des zweiten Resonators (f_b ) ist höher als die des ersten Resonators (f_a ). Die zweite Frequenz (f_I ) des zweiten Photons 151 ist höher als die erste Frequenz (f_S ) des ersten Photons 152. Es kann auf 4 Bezug genommen werden.
Der erste Resonator 162 hat eine zweite Harmonische, die zum Ausgeben des aufwärts umgesetzten Photons 153 mit der aufwärts umgesetzten Frequenz (f_UPC ) eingerichtet ist. Das aufwärts umgesetzte Photon 153 ist eine Summe der Energiewerte von dem ersten Photon 152 und dem zweiten Photon 151.
Bei dem ersten Resonator 162 handelt es sich um einen Halbwellenlängen-Übertragungsleitungsresonator (d.h. 12A, 12B und der JRM 110), und bei dem zweiten Resonator 161 handelt es sich um einen Resonator mit konzentrierten Elementen (d.h. 11A, 11B und der JRM 110). Der erste Resonator 162 ist aus zwei Mikrostreifenabschnitten gebildet, die sich in einem JRM 110 in der Mitte schneiden. Der zweite Resonator 161 ist aus Kondensatoren 11A und 11B gebildet, die jeweils eine obere Platte, die mit dem JRM 110 verbunden ist, und eine mit dieser (z.B. über Masse) verbundene untere Platte haben. Die obere Platte und die untere Platte sind durch ein dielektrisches Substrat oder Medium getrennt.
9 ist ein Ablaufplan 900 eines Verfahrens zum Fernverschränken eines ersten Qubits 611 und eines zweiten Qubits 612 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Im Block 905 wird eine Summenfrequenzgeneratorschaltung 100 bereitgestellt, die separat mit einem ersten Quantensystem 601 und einem zweiten Quantensystem 602 verbunden ist. Das erste Quantensystem 601 enthält das erste Qubit 611, und das zweite Quantensystem 602 enthält das zweite Qubit 612.
Im Block 910 wird die Summenfrequenzgeneratorschaltung 100 so konfiguriert ist, dass sie das erste Qubit 611 und das zweite Qubit 612 fernverschränkt. Im Block 915 wird durch Empfangen des Eingabe-Auslesesignal 605 das erste Quantensystem 601 so konfiguriert ist, dass es ein erstes Ausgabe-Auslesesignal 605' mit einer ersten Frequenz ω_r + ω an die Summenfrequenzgeneratorschaltung 100 überträgt, und durch Empfangen des Eingabe-Auslesesignals 610 wird das zweite Quantensystem 602 so konfiguriert, dass es ein zweites Ausgabe-Auslesesignal 610' mit einer zweiten Frequenz ω_r - ω an die Summenfrequenzgeneratorschaltung 100 überträgt.
Im Block 920 wird die Summenfrequenzgeneratorschaltung 100 so konfiguriert, dass sie ein aufwärts umgesetztes Ausgabe-Auslesesignal 165 mit einer aufwärts umgesetzten Frequenz 2ω_r ausgibt, die eine Kombination/Summe der ersten Frequenz ω_r + ω und der zweiten Frequenz ω_r - ω darstellt, um dadurch ein Fernverschränken des ersten Qubits 611 und des zweiten Qubits 612 auszuführen.
Das erste Ausgabe-Auslesesignal 605' enthält Zustandsinformation |e₁ 〉, |g₁ 〉 des ersten Qubits 611, und das zweite Ausgabe-Auslesesignal 610' enthält Zustandsinformationen |e₂〉, |g₂〉 des zweiten Qubits 612.
Das aufwärts umgesetzte Ausgabe-Auslesesignal 615 ist eine Überlagerung der Zustandsinformationen |e₁e₂〉, |e₁g₂〉, |g_1g2〉, |g₁e₂〉 des ersten und des zweiten Qubits 611, 612.
10 ist ein Ablaufplan 1000 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Mikrowellenverstärkers 700 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Im Block 1005 werden ein erster Summenfrequenzgenerator bis zu einem letzten Summenfrequenzgenerator (z.B. SFG 100_1 und 100_2) bereitgestellt. Im Block 1010 werden eine erste parametrische Einheit zur spontanen Abwärtsumsetzung bis zu einer letzten parametrischen Einheit zur spontanen Abwärtsumsetzung bereitgestellt (z.B. SPDC 1, 2 und 3).
Im Block 1015 wird jeder der ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren (z.B. SFG 100_1 und 100_2) mit zwei der ersten bis letzten parametrischen Einheiten zur spontanen Abwärtsumsetzung (z.B. SPDC 1, 2 und 3) verbunden (d.h., sie empfangen Photonen von diesen), so dass jeder einzelne der ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren von zwei der ersten bis letzten parametrischen Einheiten zur spontanen Abwärtsumsetzung gemeinsam genutzt wird.
Im Block 1020 ist eine Gesamtzahl (z.B. N-1) der ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren um eins kleiner als eine Gesamtzahl (z.B. N) der ersten bis letzten parametrischen Einheiten zum spontanen Abwärtsumsetzen. Es sei angemerkt, dass N analog auf einen größeren Wert als drei erweitert werden kann, obwohl in 7 zu Erläuterungszwecken und nicht als Einschränkung lediglich drei SPDC-Einheiten (d.h. N) und lediglich zwei SFG-Schaltungen (d.h. N-1) dargestellt sind.
Ein erstes Photon 701, das durch die erste parametrische Einheit zum spontanen Abwärtsumsetzen (z.B. SPDC 1) erzeugt wird, wird von keinem der ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren (SFG 100_1 und 100_2) empfangen. Ein letztes Photon 706, das von der letzten parametrischen Einheit zum spontanen Abwärtsumsetzen (SPDC 3) erzeugt wird, wird von keinem der ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren (SFG 100_1 und 100_2) empfangen. Die ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren (SFG 100_1 und 100_2) sind so konfiguriert, dass sie ein Fernverschränken der ersten und zweiten Photonen 701 und 706 bewirken. Bei den ersten bis letzten parametrischen Einheiten zum spontanen Abwärtsumsetzen (SPDC 1, 2 und 3) handelt es sich beispielsweise um nicht entartete Dreiwellen-Mischverstärker.
Zu den technischen Vorteilen gehört eine Quanteneinheit, die im Mikrowellenbereich (z.B. 1 bis 30 GHz) arbeitet. Die Quanteneinheit ist so konfiguriert, dass sie eine Summenfrequenzerzeugung durchführt, d.h., ein Paar von Mikrowellenphotonen, die mit Frequenzen f_S , f_I und Impulsen k_S , k_I an den Anschlüssen der Quantenvorrichtung eintreten, in ein abgehendes Photon aufwärts umzusetzen, dessen Energie und Impuls gleich der Summe der Energiewerte f_UPC = f_I + f_S bzw. des Impulses k_UPC = k_I + k_S der Eingabe-Photonen sind. Zu den technischen Vorteilen und Vorteilen gehört Fernverschränken von zwei Qubits, wobei die eingeleitete Verschränkungserzeugung für verteiltes Quanten-Computing ausreichend ist. Die Quanteneinheit als Summenfrequenzgenerator ist ein Schlüsselelement bei einheitenunabhängigen Schemata der Quantenschlüsselverteilung, beispielsweise für die Quanten-Kommunikation. Die Quanteneinheit als Summenfrequenzgenerator ist ein Schlüsselelement bei einem Quantenmikrowellenverstärker, der bei der Quanten-Kommunikation genutzt wird. Zu den technischen Vorteilen gehört ferner, dass das aufwärts umgesetzte Signal zusätzlich zu den Modi Signal und Leerlauf zum Resonanzmodus der Vorrichtung wird, indem ein JPC vom Hybrid-Typ erstellt wird, der Mikrostreifen-Resonatoren und Resonatoren mit konzentrierten Elementen kombiniert. Zu den technischen Vorteilen gehört außerdem die Gestaltung des JRM und der elektromagnetischen Umgebung des JRM dahingehend, dass die Einheit als Summenfrequenzgenerator fungieren kann, indem f_UPC = f_S + f_I und γ_a, γ_b < g₃, γ_2ph < γ_c erfüllt werden, wobei $γ_{2 p h} = 4 g_{3}^{2} / γ_{c} .$
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

Schaltung für einen Summenfrequenzgenerator, wobei die Schaltung aufweist: einen ersten Resonator, der mit einem Josephson-Ringmodulator (JRM) verbunden ist, wobei der erste Resonator so konfiguriert ist, dass er ein erstes Photon mit einer ersten Frequenz empfängt; und einen zweiten Resonator, der mit dem JRM verbunden ist, wobei der zweite Resonator so konfiguriert ist, dass er eine erste Harmonische und keine zweite Harmonische hat, wobei der zweite Resonator so konfiguriert ist, dass er ein zweites Photon mit einer zweiten Frequenz empfängt, wobei der erste Resonator so konfiguriert ist, dass er ein aufwärts umgesetztes Photon ausgibt, wobei das aufwärts umgesetzte Photon eine aufwärts umgesetzte Frequenz hat, die eine Summe der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei eine Grundresonanzfrequenz für den ersten Resonator und für den zweiten Resonator etwa gleich sind.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei die erste Frequenz des ersten Photons und die zweite Frequenz des zweiten Photons etwa gleich sind.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei eine Grundresonanzfrequenz des zweiten Resonators höher ist als die des ersten Resonators.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei die zweite Frequenz des zweiten Photons höher ist als die erste Frequenz des ersten Photons.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Resonator eine zweite Harmonische hat, die so konfiguriert ist, dass das aufwärts umgesetzte Photon mit der aufwärts umgesetzten Frequenz ausgegeben wird; wobei das aufwärts umgesetzte Photon eine Summe der Energiewerte aus dem ersten Photon und dem zweiten Photon ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem ersten Resonator um einen Resonator mit Halbwellenlängen-Übertragungsleitung handelt.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei es sich bei dem zweiten Resonator um einen Resonator mit konzentrierten Elementen handelt.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Resonator aus Mikrostreifen gebildet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der zweite Resonator aus Kondensatoren gebildet ist, von denen jeder eine mit dem JRM verbundene obere Platte und eine untere Platte hat, die miteinander verbunden sind, die durch ein dielektrisches Substrat oder Medium getrennt sind.
Verfahren zum Bilden einer Schaltung für einen Summenfrequenzgenerator, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines ersten Resonators, der mit einem Josephson-Ringmodulator (JRM) verbunden ist, wobei der erste Resonator so konfiguriert ist, dass er ein erstes Photon mit einer ersten Frequenz empfängt; und Bereitstellen eines zweiten Resonators, der mit dem JRM verbunden ist, wobei der zweite Resonator so konfiguriert ist, dass er eine erste Harmonische und keine zweite Harmonische hat, wobei der zweite Resonator so konfiguriert ist, dass er ein zweites Photon mit einer zweiten Frequenz empfängt, wobei der erste Resonator so konfiguriert ist, dass er ein aufwärts umgesetztes Photon ausgibt, wobei das aufwärts umgesetzte Photon eine aufwärts umgesetzte Frequenz hat, die eine Summe der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Grundresonanzfrequenz für den ersten Resonator und für den zweiten Resonator etwa gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Frequenz des ersten Photons und die zweite Frequenz des zweiten Photons etwa gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Grundresonanzfrequenz des zweiten Resonators höher ist als die des ersten Resonators.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite Frequenz des zweiten Photons höher ist als die erste Frequenz des ersten Photons.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste Resonator eine zweite Harmonische hat, die so konfiguriert ist, dass das aufwärts umgesetzte Photon mit der aufwärts umgesetzten Frequenz ausgegeben wird; wobei das aufwärts umgesetzte Photon eine Summe von Energiewerten aus dem ersten Photon und dem zweiten Photon ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem ersten Resonator um einen Resonator mit Halbwellenlängen-Übertragungsleitung handelt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei es sich bei dem zweiten Resonator um einen Resonator mit konzentrierten Elementen handelt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste Resonator aus Mikrostreifen gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der zweite Resonator aus Kondensatoren gebildet ist, von denen jeder eine mit dem JRM verbundene obere Platte und eine untere Platte hat, die miteinander verbunden sind, die durch ein dielektrisches Substrat oder Medium getrennt sind.
Verfahren zum Fernverschränken eines ersten Qubits und eines zweiten Qubits, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Summenfrequenzgeneratorschaltung, die separat mit einem ersten Quantensystem und einem zweiten Quantensystem verbunden ist, wobei das erste Quantensystem das erste Qubit und das zweite Quantensystem das zweite Qubit enthält; und Fernverschränken des ersten Qubits und des zweiten Qubits, das aufweist: Bewirken, dass das erste Quantensystem ein erstes Ausgabe-Auslesesignal mit einer ersten Frequenz an den Summenfrequenzgenerator sendet, und Bewirken, dass das zweite Quantensystem ein zweites Ausgabe-Auslesesignal mit einer zweiten Frequenz an die Summenfrequenzgeneratorschaltung sendet, und Ausgeben eines aufwärts umgesetzten Ausgabe-Auslesesignals mit einer aufwärts umgesetzten Frequenz, die eine Summe der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ist, durch den Summenfrequenzgenerator, wodurch das erste Qubit und das zweite Qubit fernverschränkt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das erste Ausgabe-Auslesesignal Zustandsinformationen des ersten Qubits enthält und das zweite Ausgabe-Auslesesignal Zustandsinformationen des zweiten Qubits enthält.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das aufwärts umgesetzte Ausgabe-Auslesesignal eine Überlagerung der Zustandsinformationen der ersten und der zweiten Qubits ist.
Verfahren zum Konfigurieren eines Mikrowellenverstärkers, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen von einem ersten Summenfrequenzgenerators bis zu einem letzten Summenfrequenzgenerator; und Bereitstellen von einer ersten parametrischen Einheit zum spontanen Abwärtsumsetzen bis zu einer letzten parametrischen Einheit zum spontanen Abwärtsumsetzen; wobei jeder von den ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren mit zwei von den ersten bis letzten parametrischen Einheiten zum spontanen Abwärtsumsetzen verbunden ist, so dass jeder von den ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren von den beiden der ersten bis letzten parametrischen Einheiten zum spontanen Abwärtsumsetzen gemeinsam genutzt wird; und wobei eine Gesamtzahl der ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren um eins kleiner ist als eine Gesamtzahl der ersten bis letzten parametrischen Einheiten zum spontanen Abwärtsumsetzen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei: ein erstes Photon, das von der ersten parametrischen Einheit zum spontanen Abwärtsumsetzen erzeugt wird, von keinem der ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren empfangen wird; ein letztes Photon, das von der letzten parametrischen Einheit zum spontanen Abwärtsumsetzen erzeugt wird, von keinem der ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren empfangen wird; die ersten bis letzten Summenfrequenzgeneratoren so konfiguriert sind, dass sie ein Fernverschränken der ersten und zweiten Photonen bewirken; und es sich bei den ersten bis dritten parametrischen Einheiten zum spontanen Abwärtsumsetzen um nicht entartete Dreiwellen-Mischverstärker handelt.