DE112017004860T5

DE112017004860T5 - Quantenlimitierter josephson-verstärker

Info

Publication number: DE112017004860T5
Application number: DE112017004860.5T
Authority: DE
Inventors: Baleegh Abdo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-06-27
Also published as: JP2020503706A; GB2569489B; JP7058014B2; GB2569489A; US20180091142A1; US10291227B2; CN110024292A; GB201904776D0; US20180091143A1; US10141928B2; WO2018060981A1; US9806711B1

Abstract

Eine Technik bezieht sich auf einen quantenlimitierten Mikrowellenverstärker. Ein Josephson-Ringmodulator (JRM) ist mit einem ersten Resonator mit konzentrierten Elementen verbunden. Der erste Resonator mit konzentrierten Elementen enthält ein oder mehrere erste konzentrierte Elemente. Ein zweiter Resonator mit konzentrierten Elementen ist mit dem JRM verbunden, und der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen enthält ein oder mehrere zweite konzentrierte Elemente. Der JRM, der erste Resonator mit konzentrierten Elementen und der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen bilden einen parametrischen Josephson-Umsetzer (JPC). Das eine oder die mehreren ersten konzentrierten Elemente und das eine oder die mehreren zweiten konzentrierten Elemente haben den gleichen Wert, wodurch der JPC so konfiguriert wird, dass er spektral entartet ist.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf supraleitende elektronische Einheiten und insbesondere auf einen quantenlimitierten Josephson-Verstärker mit räumlicher Trennung zwischen spektral entarteten Signal- und Leerlaufmodi.
In der Schaltungsquanten-Elektrodynamik werden bei der Quanten-Datenverarbeitung nichtlineare supraleitende Einheiten verwendet, die als Qubits bezeichnet werden, um Quanteninformationen bei Mikrowellenfrequenzen zu bearbeiten und zu speichern, und Resonatoren verwendet (z.B. ein zweidimensionaler (2D-) planarer Wellenleiter oder ein dreidimensionaler (3D-) Mikrowellenhohlraum), um Qubits auszulesen und die Interaktion zwischen ihnen zu ermöglichen. Beispielsweise kann jedes supraleitende Qubit einen oder mehrere Josephson-Übergänge enthalten, bei denen Kondensatoren parallel zu den Übergängen geschaltet werden. Die Qubits sind kapazitiv mit Resonatoren (z.B. 2D- oder 3D-Mikrowellenhohlräume) gekoppelt.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein quantenlimitierter Mikrowellenverstärker bereitgestellt. Der Verstärker enthält einen Josephson-Ringmodulator (JRM) und einen ersten Resonator mit konzentrierten Elementen, der mit dem JRM verbunden ist. Der erste Resonator mit konzentrierten Elementen enthält ein oder mehrere erste konzentrierte Elemente. Der Verstärker enthält außerdem einen zweiten Resonator mit konzentrierten Elementen, der mit dem JRM verbunden ist. Der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen enthält ein oder mehrere zweite konzentrierte Elemente. Der JRM, der erste Resonator mit konzentrierten Elementen und der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen bilden einen parametrischen Josephson-Umsetzer (JPC). Das eine oder die mehreren ersten konzentrierten Elemente und das eine oder die mehreren zweiten konzentrierten Elemente haben denselben Wert, wodurch der JPC so konfiguriert wird, dass er spektral entartet ist.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Konfigurieren eines quantenlimitierten Mikrowellenverstärkers bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines JRM und Bereitstellen eines ersten Resonators mit konzentrierten Elementen, der mit dem JRM verbunden ist, wobei der erste Resonator mit konzentrierten Elementen ein oder mehrere erste konzentrierte Elemente enthält. Außerdem beinhaltet das Verfahren Bereitstellen eines zweiten Resonators mit konzentrierten Elementen, der mit dem JRM verbunden ist, wobei der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen ein oder mehrere zweite konzentrierte Elemente enthält. Der JRM, der erste Resonator mit konzentrierten Elementen und der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen bilden einen JPC. Das eine oder die mehreren ersten konzentrierten Elemente und das eine oder die mehreren zweiten konzentrierten Elemente haben denselben Wert, wodurch der JPC so konfiguriert wird, dass er spektral entartet ist.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein System zum Fernverschränken von Qubits durch Messung bereitgestellt. Das System enthält einen JPC und ein erstes Qubit-Resonatorsystem, das mit dem JPC verbunden ist. Das erste Qubit-Resonatorsystem enthält ein erstes Qubit, das mit einem ersten Ausleseresonator verbunden ist. Das System enthält außerdem ein zweites Qubit-Resonatorsystem, das mit dem JPC verbunden ist. Das zweite Qubit-Resonatorsystem enthält ein zweites Qubit, das mit einem zweiten Ausleseresonator verbunden ist, und der JPC ist zum Fernverschränken des ersten Qubits und des zweiten Qubits durch Auslesen des ersten und des zweiten Ausleseresonators bei der Frequenz X konfiguriert.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Konfigurieren eines Systems zum Fernverschränken von Qubits durch Messung bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines JPC und Bereitstellen eines ersten Qubit-Resonatorsystems, das mit dem JPC verbunden ist. Das erste Qubit-Resonatorsystem enthält ein erstes Qubit, das mit einem ersten Ausleseresonator verbunden ist. Das Verfahren beinhaltet außerdem Bereitstellen eines zweiten Qubit-Resonatorsystems, das mit der JPC verbunden ist, wobei das zweite Qubit-Resonatorsystem ein zweites Qubit enthält, das mit einem zweiten Ausleseresonator verbunden ist. Der JPC ist zum Fernverschränken des ersten Qubits und des zweiten Qubits durch Auslesen des ersten und des zweiten Ausleseresonators bei der Frequenz X konfiguriert.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Schaltung für einen supraleitenden parametrischen Josephson-Umsetzers gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen
2 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Fernverschränken von Qubits unter Verwendung des parametrischen Josephson-Umsetzers gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
3 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines quantenlimitierten Mikrowellenverstärkers gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
4 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Systems zum Fernverschränken von Qubits durch Messung 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.
Die dem Qubit zugehörige elektromagnetische Energie wird in den Josephson-Übergängen und in den kapazitiven und induktiven Elementen gespeichert, die das Qubit bilden. In einem Beispiel wird zum Auslesen des Qubit-Zustands ein Mikrowellensignal an den Mikrowellen-Auslesehohlraum angelegt, das mit dem Qubit bei der dem Qubit-Zustand entsprechenden Hohlraumfrequenz koppelt. Das übertragene (oder reflektierte) Mikrowellensignal durchläuft mehrere thermische Isolationsstufen und rauscharme Verstärker, die erforderlich sind, um das Rauschen zu beseitigen oder zu reduzieren und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Das Mikrowellensignal wird bei Raumtemperatur gemessen. Die Amplitude und/oder Phase des zurückgegebenen/ausgegebenen Mikrowellensignals befördert Informationen über den Qubit-Zustand, bei dem es sich beispielsweise um Grund- oder angeregte Zustände oder um eine Überlagerung der beiden Zustände handelt. Ein Mikrowellen-Auslesen stellt eine stabile Signalamplitude für die Steuerung bereit, und eine handelsübliche Standard-Hardware (COTS) ist verfügbar, die die meisten Mikrowellen-Frequenzbereiche abdeckt.
Bei einem Josephson-Ringmodulator (JRM) handelt es sich um ein nichtlineares, dispersives Element auf der Grundlage von Josephson-Tunnelübergängen, das eine Drei-Wellen-Mischung von Mikrowellensignalen an der Quantengrenze ausführen kann. Der JRM besteht aus vier nominell identischen Josephson-Übergängen (JJ), die in einer Wheatstone-Brücken-Konfiguration angeordnet sind. Um eine nichtdegenerierte parametrische Einheit wie beispielsweise einen parametrischen Josephson-Umsetzer (JPC) zu bilden, die in der Lage ist, Mikrowellensignale an der Quantengrenze zu verstärken und/oder zu mischen, ist der JRM in zwei Mikrowellenresonatoren bei einem Hochfrequenz- (HF-) Strom-Antiknoten ihrer fundamentalen Eigenmodi enthalten. Wie in mehreren experimentellen und theoretischen Arbeiten nachgewiesen wurde, sind die Leistungsparameter dieser JPCs, und zwar Leistungsgewinn, dynamische Bandbreite und Dynamikbereich, von dem kritischen Strom der JJs des JRM, der speziellen Realisierung der elektromagnetischen Umgebung (d.h. der Mikrowellenresonatoren) und der Kopplung zwischen dem JRM und den Resonatoren stark abhängig.
Zum Verbessern bestimmter Leistungsparameter von JPCs wurden verschiedene Mikrowellenresonatoren realisiert und vorgeschlagen wie beispielsweise Resonatoren mit koplanarer Stripline, Mikrostrip-Resonatoren, Resonatoren mit kompakten/konzentrierten Elementen und dreidimensionale Hohlräume. Gemäß dem Stand der Technik wurde außerdem angeregt, den Dynamikbereich zu verbessern durch Vergrößern des kritischen Stroms von JJs, die den JRM bilden, indem beispielsweise Niob-Übergänge und Nanobrücken verwendet werden. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die abstimmbare Bandbreite von JPCs verbessert werden kann, indem parallel zu den JJs des JRM lineare Induktivitäten geschaltet werden.
Bei parametrischen Josephson-Umsetzern handelt es sich um quantenlimitierte Mikrowellenverstärker, die zum Auslesen des Quantenzustands von supraleitenden Qubits, Quantenpunkten usw. verwendet werden können. Bei dem JPC handelt es sich um einen nichtdegenerierten Verstärker, bei dem die Modi Signal und Leerlauf räumlich und spektral getrennt sind. Signal und Leerlauf haben unterschiedliche physische Anschlüsse und Resonatoren (d.h. räumliche Trennung), und Signal und Leerlauf haben auch unterschiedliche Frequenzen (d.h. spektrale Trennung).
Der parametrische Josephson-Verstärker (JPA) ist ein degenerierter Verstärker, bei dem die Modi Signal und Leerlauf den gleichen physischen Anschluss und den gleichen Resonator verwenden, jedoch entweder leicht unterschiedliche Frequenzen innerhalb der Bandbreite des Verstärkers (d.h. den Phasenerhaltungsmodus) oder die gleiche Frequenz (d.h. phasenempfindlicher Modus) haben können.
Dasselbe gilt für Josephson Traveling Wave Parametric Amplifiers (JTWPAs) und Kinetic Inductance Traveling Wave Amplifiers (KITWA), die aus nichtlinearen Übertragungsleitungen ohne Resonatoren gebildet werden (außer denjenigen, die in den Übertragungsleitungen für Phasenanpassungszwecke verwendet werden).
Gemäß dem Stand der Technik gibt es derzeit jedoch keinen quantenlimitierten parametrischen Verstärker, der unterschiedliche physische Anschlüsse für die Modi Signal und Leerlauf aufweist und bei dem Frequenzen übereinstimmen können, d.h., dass die Signal- und Leerlauf-Frequenzen übereinstimmen können. Ein Hauptgrund ist, dass durch die Gleichheit der JPC-Mikrostreifen-Resonatoren (die auf einer Übertragungsleitung beruhen) die zur Verstärkung erforderliche Pumpfrequenz, die der Summe der Signal- und Leerlauf-Resonanzfrequenzen entspricht, mit der Frequenz der zweiten Harmonischen der Signal- und Leerlauf-Resonatoren übereinstimmen würde, wodurch die „Pumpansteuerung weich (soft)“ gemacht wird, was die Verstärkerleistung negativ beeinflusst. Indem des Weiteren die beiden Übertragungsleitungsresonatoren für die Modi Signal und Leerlauf identisch gemacht werden (d.h., die Signal- und Leerlauf-Resonatoren sind identisch), würde die Frequenz des „parasitären“ gemeinsamen Modus der Einheit (was einer direkten Übertragung zwischen den Signal- und Leerlauf-Anschlüssen entspricht) mit den Signal- und Leerlauf-Frequenzen zusammenfallen und zu einer direkten Leckage zwischen den Anschlüssen (d.h. zwischen den Signal- und Leerlauf-Anschlüssen) führen.
Es wird nun ein Überblick über Aspekte der vorliegenden Erfindung gegeben, wobei in einer oder mehreren Ausführungsformen erläutert wird, wie ein quantenlimitierter Mikrowellenverstärker aufgebaut oder konfiguriert wird, der räumlich nicht entartet ist (d.h. verschiedene Anschlüsse für die Signal- und Leerlauf-Modi hat), spektral entartet ist (d.h. die gleiche Frequenz für Signal- und Leerlauf-Resonatoren hat) und in der Lage ist, Dreiwellenmischungen durchzuführen. Um dies zu erreichen, werden bei einer oder mehreren Ausführungsformen JPCs mit konzentrierten Elementen verwendet, deren Signal- und Leerlauf-Resonatoren aus Spulen und Kondensatoren mit konzentrierten Elementen aufgebaut sind, und diese konzentrierten Elemente für die Signal- und Leerlauf-Resonatoren sind nominell identisch. Die Kombination der beiden Anforderungen stellt einen Vorteil bei dem JPC dar. Eine oder mehrere Ausführungsformen veranschaulichen, dass eine solche Struktur oder Einheitskonfiguration die zuvor beschriebenen Probleme in Bezug auf JPCs ansprechen würde, die auf Übertragungsleitungsresonatoren beruhen. Durch die Tatsache, dass den Resonatoren mit konzentrierten Elementen ein zweiter harmonischer Resonanzmodus fehlt (d.h. bei der doppelten Grundresonanzfrequenz), ist sichergestellt, dass die Pumpenansteuerung in Ausführungsformen „stabil (stiff)“ bleibt, wodurch die Leistung der Einheit im Vergleich zu dem nicht entarteten Fall erhalten bleibt. Des Weiteren stimmt in einer oder mehreren Ausführungsformen die Frequenz des gemeinsamen Modus des JPC mit konzentrierten Elementen nicht mit der Frequenz der Signal- und Leerlauf-Modi überein (z.B. kann die Frequenz des gemeinsamen Modus (abhängig von der genauen Schaltung) höher oder niedriger sein als die Frequenz von Signal oder Leerlauf), wodurch sichergestellt wird, dass die beiden Modi (Signal und Leerlauf) gegen direkte Übertragung über die Signal- und Leerlauf-Anschlüsse isoliert sind. Dies bedeutet, dass der gemeinsame Modus nicht gleich der Resonanzfrequenz des Signal- oder des Leerlauf-Resonators ist.
Es folgt nun eine detailliertere Beschreibung von Aspekten der vorliegenden Erfindung. 1 ist eine schematische Darstellung einer Schaltung für einen JPC 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Der JPC 100 enthält den Anschluss 150A und den 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 einem 180-Grad-Hybridkoppler 120A ist das Signal Leerlauf (I) mit dem Δ-Anschluss verbunden, und das Signal Pumpe (P) ist mit dem Σ-Anschluss verbunden. Für den 180-Grad-Hybridkoppler 120B ist das Signal (S) 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 dagegen von seinem Differenzanschluss (Δ) gespeist wird, stellt er zwei um 180 ° phasenverschobene Ausgangssignale gleicher Amplitude bereit.
Der JPC 100 enthält einen Ringmodulator mit mehreren Josephson-Übergängen (MJRM) 110. Der MJRM 110 enthält mehrere Josephson-Übergänge 130, die miteinander verbunden (in Reihe geschaltet) sind, um die Schleife/den Ring in dem MJRM 110 zu bilden. Der MJRM 110 enthält eine Anordnung von N Josephson-Übergängen 130. In einer Implementierung ist N = 1 bis 15 in der Anordnung von N JJs. In einer Implementierung ist N = 6 JJs in dem MRJM 110. Dem Fachmann ist klar, dass ein magnetischer Fluss Φ die Schleife des MJRM 110 durchsetzt. Die Wahl der Anzahl der Josephson-Übergänge N in jedem Arm des JRM kann von zwei einander sich widersprechenden Erwägungen und dem Gleichgewicht zwischen ihnen beeinflusst werden. Die erste Überlegung besteht darin, den dynamischen Bereich des Bauelements durch Hinzufügen weiterer in Reihe geschalteter Josephson-Übergänge zu verbessern, während die zweite darin besteht, dass die Nichtlinearität des JRM nicht erheblich verringert werden sollte (da die Nichtlinearität des JRM mit zunehmendem N abnimmt).
Ein Leerlaufresonator 161 enthält parallel zum MJRM 110 Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 10A und 10B. Ein Signalresonator 162 enthält parallel zum MJRM 110 Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 10C und 10D. Der Leerlaufresonator 161 und der Signalresonator 162 verwenden beide den MJRM 110 gemeinsam. Sowohl im Leerlaufresonator 161 als auch im Signalresonator 162 ist der Wert für jeden der Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 10A, 10B, 10C und 10D der gleiche, und dieser Wert wird als 2C bezeichnet, wobei C die Kapazität darstellt. Zwar sind Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 10A bis D dargestellt, eine Implementierung kann jedoch zusätzlich Spulen mit konzentrierten Elementen parallel oder in Reihe mit dem MJRM 110 haben.
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 Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 10A und 10B des Leerlaufresonators 161 sind mit den gegenüberliegenden Enden des MJRM 110 verbunden, beispielsweise an den Knoten 50A und 50B des MJRM 110. Die Kondensatoren mit konzentrierten Elementen 10C und 10D des Signalresonators 162 sind mit entgegengesetzten Enden des MJRM 110 verbunden, beispielsweise an den Knoten 50C und 50D des MJRM 110.
Der JPC 100 enthält Koppelkondensatoren 20A und 20B, die den Anschluss 150A mit dem Leerlaufresonator 161 verbinden. Außerdem enthält der JPC Koppelkondensatoren 20C und 20D, die den Anschluss 150B mit dem Signalresonator 162 verbinden. Die Koppelkondensatoren 20A, 20B, 20C und 20D haben jeweils den gleichen Wert, und dieser Wert wird mit C_c/2 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 Pump-Mikrowellensignal/der Ton 153 hat die Frequenz f_P . Damit sich die JPC-Einheit 100 im Verstärkungsmodus (mit Photonengewinn) befindet, erfüllt die angewendete Pumpfrequenz f_P die Beziehung $f_{P} = f_{I} + f_{S},$
wobei f_S und f_I die Frequenzen der Töne Signal (S) bzw. Leerlauf (I) sind.
In einem JPC nach dem Stand der Technik müssen das Mikrowellensignal Signal und das Mikrowellensignal Leerlauf die Forderung f_S < f_I erfüllen. Zum Beispiel kann die Leerlauffrequenz f_I 10 Gigahertz (GHz) sein, und die Signalfrequenz f_S kann 7 GHz sein, was zu einer Pumpfrequenz f_P von 17 GHz führt. In dem JPC nach dem Stand der Technik kann die Leerlauffrequenz f_I nicht gleich (oder nahezu gleich) der Signalfrequenz f_S sein, da die Pumpfrequenz f_P (mit f_P = f_I + f_S) mit der zweiten Harmonischen des Leerlaufresonators und des Signalresonators zusammenfallen würde, wodurch die Pumpenansteuerung weich gemacht wird und die Verstärkerleistung negativ beeinflusst wird, beispielsweise indem der Dynamikbereich erheblich verringert wird (wobei der Dynamikbereich die maximale Eingangsleistung ist, die die Einheit an einem bestimmten Arbeitspunkt bewältigen kann).
Im Gegensatz zum Stand der Technik enthält der JPC 100 in Ausführungsformen den Leerlaufresonator 161 mit konzentrierten Elementen und den Signalresonator 162 mit konzentrierten Elementen, und die Leerlauf- und Signalresonatoren 161 und 162 haben keine zweite Harmonische, die gewährleistet, dass die Pumpenansteuerung stabil bleibt, wodurch die JPC-Leistung im Vergleich zum nicht entarteten Fall (Stand der Technik) erhalten bleibt. Daher sind in dem JPC 100 das Mikrowellensignal Leerlauf 151 mit der Frequenz f_I und das Mikrowellensignal Signal 152 mit der Frequenz f_S so konfiguriert, dass sie die folgende Beziehung erfüllen:
$f_{I} = f_{S} .$
Daher muss die Leerlauffrequenz f_I gleich (oder ungefähr gleich) der Signalfrequenz f_S . Zum Beispiel kann die Leerlauffrequenz f_I 10 Gigahertz (GHz) sein, und die Signalfrequenz f_S kann 10 GHz sein, was zu einer Pumpfrequenz f_P von 20 GHz führt. Die Frequenz der Pumpansteuerung (bei Verstärkung) des JPC mit konzentrierten Elemente 100 stimmt nicht mit der Frequenz (die dieselbe ist) der Signal- und Leerlaufmodi (Resonatoren 162 und 161) überein und/oder stimmt nicht mit der zweiten Resonanzfrequenz der Resonatoren mit konzentrierten Elementen überein, bei denen es sich um den Leerlaufresonator 161 und den Signalresonator 162 handelt. Außerdem stimmt die Frequenz des gemeinsamen Modus der JPC-Einheit 100 nicht mit f_I und f_S überein. Sie ist entweder höher oder niedriger als f_I und f_S , wodurch sichergestellt wird, dass der Leerlaufmodus (Leerlaufresonator 161) und der Signalmodus (Signalresonator 162) gegen direkte Übertragung über den Signalanschluss (d.h. den Δ-Anschluss des Hybridkopplers 120B) und den Leerlaufanschluss (d.h. den Δ-Anschluss des Hybridkopplers 120A) isoliert sind. Das heißt, das Mikrowellensignal Leerlauf 151 (Eingang am Δ- (Leerlauf-) Anschluss des Hybridkopplers 120A) wird nicht am Δ- (Signal-) Anschluss des Hybridkopplers 120B ausgegeben, und das Mikrowellensignal Signal 152 (Eingang am Δ- (Signal-) Anschluss des Hybridkopplers 120B) wird nicht am Δ-(Leerlauf-) Anschluss des Hybridkopplers 120A ausgegeben, selbst wenn die Bedingung f_I = f_S erfüllt ist.
Der JPC 100, der die Kondensatoren 10A bis D und 20A bis D enthält, (mit Ausnahme des dielektrischen Werkstoffs in den Kondensatoren), die Übertragungsleitungen 30, die Josephson-Übergänge 130 (mit Ausnahme des dünnen Isolierwerkstoffs) und die Anschlüsse 150A und 150B sind aus supraleitendem Werkstoff hergestellt. Zusätzlich sind die Hybridkuppler 120A und 120B aus verlustarmen normalen Metallen hergestellt oder können aus supraleitendem Werkstoff hergestellt sein. Außerdem sind die nachfolgend erläuterten Qubit-Resonatorsysteme aus supraleitendem Werkstoff hergestellt. Zu Beispielen supraleitender Werkstoffe (bei niedrigen Temperaturen, wie etwa 10 bis 100 Millikelvin (mK) oder etwa 4 K) gehören Niob, Aluminium, Tantal usw.
2 ist eine schematische Darstellung eines Systems 200 zum Fernverschränken von Qubits unter Verwendung des JPC 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. In 2 sind die Details des JPC 100 der Klarheit halber weggelassen, und es versteht sich, dass der JPC 100 die in 1 erläuterten Merkmale enthält. Das System 200 veranschaulicht den JPC 100, der über den Leerlaufanschluss 150A durch den Hybridkoppler 120A mit dem Qubit-Resonatorsystem 220A verbunden ist, und den JPC 100, der über den Signalanschluss 150B durch den Hybridkoppler 120B mit dem Qubit-Resonatorsystem 220B verbunden ist.
Das Qubit-Resonatorsystem 220A enthält das Qubit 205A, das mit seinem Ausleseresonator 210A verbunden ist. Das Qubit-Resonatorsystem 220B enthält das Qubit 205B, das mit seinem Ausleseresonator 210B verbunden ist.
In einer Implementierung können die Qubit-Resonatorsysteme 220A und 220B lokal auf demselben Chip miteinander gekoppelt sein. In einer anderen Implementierung können die Qubit-Resonatorsysteme 220A und 220B auf demselben Chip entfernt voneinander oder auf zwei verschiedenen Chips angeordnet sein. Die Ausleseresonatoren 210A und 210B sind so konfiguriert, dass sie die gleiche Resonanzfrequenz X haben, die mit den zwei Resonanzfrequenzen des JPC (d.h. dem Signalresonator 162 und dem Leerlaufresonator 161) zusammenfällt. Mit anderen Worten, die Ausleseresonatoren 210A und 210B, der Leerlaufresonator 161 und der Signalresonator 162 haben jeweils die gleiche Resonanzfrequenz X. Es ist zu beachten, dass die Frequenz X eine Mikrowellenfrequenz darstellt, beispielsweise 10 GHz. Es versteht sich, dass es sich bei der Frequenz X auch um andere Mikrowellenfrequenzen handeln kann. Da der Leerlaufresonator 161 und der Signalresonator 162 Resonatoren mit konzentrierten Elementen sind, haben sie wie oben erwähnt lediglich eine Grundresonanzfrequenz, bei der es sich um eine erste Resonanzfrequenz handelt, und keine zweite Resonanzfrequenz bei dem Doppelten der Grundresonanzfrequenz, wodurch ermöglicht wird, dass der Leerlaufresonator 161 und der Signalresonator 162 die gleiche Resonanzfrequenz haben, und der JPC 100 als Verstärker f_P = f_I + f_S ohne negative Auswirkungen arbeiten kann wie z.B. eine Verringerung des dynamischen Bereichs der Einheiten und direkten Leistungsverlust zwischen Signal- und Leerlaufresonatoren und - anschlüssen.
In den Qubit-Resonatorsystemen 220A und 220B können die jeweiligen Qubits 205A und 205B in einer Implementierung zwei unterschiedliche Qubit-Frequenzen haben. In einer anderen Implementierung können die Qubits 205A und 205B die gleiche Qubit-Frequenz haben.
In dem Qubit-Resonatorsystem 220A kann das Qubit 205A separat durch einen separaten Anschluss und nicht notwendigerweise durch seinen entsprechenden Ausleseresonator 210A angesteuert werden. In dem Qubit-Resonatorsystem 220B kann das Qubit 205B separat durch einen separaten Anschluss und nicht notwendigerweise durch seinen entsprechenden Ausleseresonator 210B angesteuert werden.
Wenn der JPC 100 als Verstärker betrieben wird (was bedeutet f_P = f_I + f_S), kann er diese beiden Qubits 205A und 205B (bei der gleichen Frequenz X) fernverschränken, indem zwei Auslesetöne/Signale (d.h. Mikrowellensignale 151' bzw. 152') erzeugt und an die Ausleseresonatoren 210A und 210B gesendet werden. Das Mikrowellensignal 151' mit der Frequenz f_I und das Mikrowellensignal 152' mit der Frequenz f_S enthalten jeweils verschränkte Photonen (Signal und Leerlauf), und beide Mikrowellensignale 151' und 152' haben die Frequenz X, was bedeutet f_I = f_S = Frequenz X. Die Mikrowellensignale 151' und 152' sind Auslesesignale, die jeweils die Qubits 205A und 205B messen, indem sie ihre Ausleseresonatoren 210A und 210B einzeln prüfen (d.h. auslesen).
Die Qubits 205A und 205B werden als Ergebnis einer Berechnung auf einen bestimmten Zustand initialisiert oder auf einen bestimmten Zustand gesteuert. Die Verschränkung geschieht als Ergebnis einer gemeinsamen Messung der zwei Qubit-Zustände der Qubits 205A und 205B unter Verwendung der beiden verschränkten Mikrowellensignale 151' und 152' (Auslesetöne), die verschränkte Photonen enthalten. Mit anderen Worten, das Prüfen des Zustands der zwei Qubits 205A und 205B mit zwei verschränkten Auslesestrahlen (Mikrowellensignale 151' und 152') führt zu einer Verschränkung der beiden Qubits 205A und 205B.
Ein beispielhaftes Szenario dient zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung. Das Mikrowellensignal 151 mit der Frequenz f_I (gleich der Frequenz X) wird über den Differenzanschluss des Hybridkopplers 120A durch den Anschluss 150A des JPC 100 an den JPC 100 übertragen. Das Mikrowellensignal 152 mit der Frequenz f_S (ebenfalls gleich der Frequenz X) wird über den Differenzanschluss des Hybridkopplers 120B durch den Anschluss 150B des JPC 100 an den JPC 100 übertragen. Zusätzlich wird das Pump-Mikrowellensignal 153 über den Summenanschluss des Hybridkopplers 120A durch den Anschluss 150A angelegt, und das Pump-Mikrowellensignal 153 hat die Pumpfrequenz $f_{P} = f_{I} + f_{S} .$
Das Mikrowellensignal 151 wirkt mit dem Leerlaufresonator 161 zusammen, was ein Zusammenwirken mit dem MJRM 110 beinhaltet, während das Mikrowellensignal 152 mit dem Signalresonator 162 zusammenwirkt, was auch ein Zusammenwirken mit dem MJRM 110 beinhaltet. Durch die beiden Mikrowellensignale 151 und 152, die mit dem MJRM 110 zusammenwirken, werden die Photonen des Mikrowellensignals 151 mit den Photonen des Mikrowellensignals 152 (und umgekehrt) durch einen Drei-Wellen-Mischprozess, der in der JPC-Einheit 100 stattfindet, (oder mit anderen Worten, durch Abwärtskonvertierung von Pumpphotonen in verschränkte Paare von Signal- und Leerlaufphotonen) verschränkt. Nach dem Zusammenwirken mit dem Leerlaufresonator 161 (der den MJRM 110 enthält) wird das reflektierte/erzeugte Mikrowellensignal 151 als Mikrowellensignal 151' bezeichnet. Gleichermaßen wird das reflektierte/erzeugte Mikrowellensignal 152 nach dem Zusammenwirken mit dem Signalresonator 162 (der den MJRM 110 enthält) als Mikrowellensignal 152' bezeichnet. Die reflektierten Mikrowellensignale 151' und 152' haben verschränkte Photonen mit der Frequenz f_I = f_S = Frequenz X (z.B. 10 GHz). Beispielsweise kann es ein erstes Paar verschränkter Photonen geben, z.B. ist ein Photon im Mikrowellensignal 151' mit einem Photon im Mikrowellensignal 152' verschränkt, es kann ein zweites Paar verschränkter Photonen geben, z.B. ist ein anderes Photon im Mikrowellensignal 151' mit einem anderen Photon in dem Mikrowellensignal 152' verschränkt, und es kann des Weiteren einem letzten Paar von verschränkten Photonen geben, wobei z.B. noch ein anderes Photon in dem Mikrowellensignal 151' mit einem weiteren Photon in dem Mikrowellensignal 152' verschränkt ist. Dementsprechend kann es mehrere Paare von verschränkten Photonen zwischen den Mikrowellensignalen 151' und 152' geben.
Das reflektierte Mikrowellensignal 151' wird als das Auslesesignal für den Ausleseresonator 210A an das Qubit-Resonatorsystem 220A übertragen, während das reflektierte Mikrowellensignal 152' als das Auslesesignal für den Ausleseresonator 210B an das Qubit-Resonatorsystem 220B übertragen wird, wodurch die Qubits 205A und 205B verschränkt werden. Um das Qubit 205A zu messen, bewirkt das Mikrowellensignal 151' bei der Frequenz X, dass der Ausleseresonator 210A die Zustandsinformationen des Qubits 205A ausliest, und dieses Mikrowellensignal 151' (bei der Frequenz X), das die Qubit-Statusinformationen enthält, kann an einen Photonendetektor zur Messung/Detektion gesendet werden. Um das Qubit 205B zu messen, bewirkt das Mikrowellensignal 152' bei der Frequenz X in ähnlicher Weise, dass der Ausleseresonator 210B die Zustandsinformationen des Qubits 205B ausliest, und dieses Mikrowellensignal 152' (bei der Frequenz X), das die Qubit-Statusinformationen enthält, kann zur Messung/Detektion an ein Photonendetektor (oder zu einem heterodynen Messaufbau) gesendet werden.
Die Mikrowellensignale 151' und 152' können jeweils von den Qubit-Resonatorsystemen 220A und 220B in den Betriebsarten Transmission oder Reflexion übertragen werden. Obwohl der Einfachheit halber nicht gezeigt, kann ein Zirkulator mit 4 Anschlüssen (oder zwei durch einen Anschluss miteinander gekoppelte Zirkulatoren mit 3 Anschlüssen) oder ein Schalter zwischen dem Qubit-Resonatorsystem 220A und dem JPC 100 angeordnet sein, und ein Zirkulator mit 4 Anschlüssen (oder zwei durch einen Anschluss miteinander gekoppelte Zirkulatoren mit 3 Anschlüssen) oder ein Schalter kann zwischen dem Qubit-Resonatorsystem 220B und dem JPC 100 angeordnet sein. Im Falle des Zirkulators mit 4 Anschlüssen/Schalters kann der Zirkulator mit 4 Anschlüssen das Mikrowellensignal 151 empfangen und zu dem JPC 100 leiten. Dann kann der Zirkulator mit 4 Anschlüssen/der Schalter das verschränkte Mikrowellensignal 151' empfangen und zu dem Qubit-Resonatorsystem 220A leiten. Schließlich kann der Zirkulator mit 4 Anschlüssen/der Schalter das Mikrowellensignal 151', das die Informationen zum Qubit-Zustand enthält, vom Qubit-Resonatorsystem 220A empfangen und dann das Mikrowellensignal 151', das die Qubit-Statusinformationen enthält, zu dem Photonendetektor (zur Messung) oder zu einem heterodynen Messaufbau leiten. Die gleiche Beschreibung gilt analog für die Mikrowellensignale 152, 152 und das Qubit-Resonatorsystem 220B.
3 ist ein Ablaufplan 300 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines quantenlimitierten Mikrowellenverstärkers (z.B. der JPC 100) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Im Block 305 wird ein JRM 110 bereitgestellt, und im Block 310 wird ein erster Resonator mit konzentrierten Elementen 161 (Leerlaufresonator) mit dem JRM 110 verbunden, wobei der erste Resonator mit konzentrierten Elementen 161 ein oder mehrere erste konzentrierte Elemente (z.B. Kondensatoren 10A und 10B) enthält.
Im Block 315 wird ein zweiter Resonator mit konzentrierten Elementen 162 (Signalresonator) mit dem JRM 110 verbunden, wobei der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen 162 ein oder mehrere zweite konzentrierte Elemente (z.B. Kondensatoren 10C und 10D) enthält. Der JRM 110, der erste Resonator mit konzentrierten Elementen 161 und der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen 162 bilden einen JPC 100. Das eine oder die mehreren ersten konzentrierten Elemente (10A und 10B) und das eine oder die mehreren zweiten konzentrierten Elemente (10C und 10D) haben denselben Wert (z.B. 2C), wodurch der JPC 100 so konfiguriert wird, dass er spektral entartet ist.
Bei dem JRM 110 handelt es sich um eine Mehrzahl von JJ 130, die in einer Schleife verbunden sind. Der JPC enthält einen ersten Anschluss 150A und einen zweiten Anschluss 150B. Der erste Anschluss 150A ist über erste Koppelkondensatoren 20A und 20B mit dem ersten Resonator mit konzentrierten Elementen 161 verbunden. Der zweite Anschluss 150B ist über zweite Koppelkondensatoren 20C und 20D mit dem zweiten Resonator mit konzentrierten Elementen 162 verbunden. Die ersten und die zweiten Koppelkondensatoren 20A bis D haben einen Wert C_c/2, der beim Festlegen der Bandbreite für die Signal- und Leerlaufresonatoren 162 und 161 eine Rolle spielt.
Der erste Anschluss 150A des JPC 100 ist so konfiguriert, dass er ein erstes Mikrowellensignal 151 mit einer ersten Frequenz (z.B. f_I =10 GHz) über einen Differenzanschluss Δ eines ersten Hybridkopplers 120A empfängt, und der zweite Anschluss 150B ist so konfiguriert, dass er ein zweites Mikrowellensignal 152 mit einer zweiten Frequenz (z.B. f_S =10 GHz) über einen anderen Differenzanschluss Δ eines zweiten Hybridkopplers 120B empfängt, wobei die erste und zweite Frequenz die gleiche Frequenz sind (z.B. 10 GHz).
Der JPC 100 ist so konfiguriert, dass er das erste Mikrowellensignal 151 und das zweite Mikrowellensignal 152, die die gleiche Frequenz haben, verstärkt, ohne dass das erste Mikrowellensignal 151 aus dem Differenzanschluss Δ (Signalanschluss) des zweiten Hybridkopplers 120B austritt und ohne dass das zweite Mikrowellensignal 152 aus dem anderen Differenzanschluss Δ (Leerlaufanschluss) des ersten Hybridkopplers 120A austritt, da der JPC 100 so konfiguriert ist, dass er spektral entartet ist. Der erste Anschluss 150A oder der zweite Anschluss 150B ist so konfiguriert, dass er die Eingabe eines Pump-Mikrowellensignals 153 mit einer Pumpfrequenz f_P empfängt, wobei das Pump-Mikrowellensignal 153 über einen Summenanschluss Σ des ersten Hybridkopplers 120A oder des zweiten Hybridkopplers 120B empfangen wird. Die Pumpfrequenz ist eine Summe aus der ersten und der zweiten Frequenz f_P = f_I + f_S. Der erste Resonator mit konzentrierten Elementen und der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen sind aus supraleitendem Werkstoff hergestellt.
Bei den ersten und den zweiten Koppelkondensatoren (20A bis D) handelt es sich um konzentrierte Elemente, und die konzentrierten Elemente sind aus der Gruppe ausgewählt, die Spaltkondensatoren, verzahnte Kondensatoren und/oder Plattenkondensatoren enthält.
4 ist ein Ablaufplan 400 eines Verfahrens zum Konfigurieren eines Systems 200 zum Fernverschränken von Qubits durch Messung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
Im Block 405 wird ein JPC 100 bereitgestellt, und im Block 410 wird ein erstes Qubit-Resonatorsystem 220A mit dem JPC 100 verbunden, wobei das erste Qubit-Resonatorsystem 220A ein erstes Qubit 205A enthält, das mit einem ersten Ausleseresonator 210A verbunden ist.
Im Block 415 wird ein zweites Qubit-Resonatorsystem 220B mit dem JPC 100 verbunden, wobei das zweite Qubit-Resonatorsystem 220B ein zweites Qubit 205B enthält, das mit einem zweiten Ausleseresonators 210B verbunden ist. Der JPC 100 ist so konfiguriert, dass er an dem ersten Qubit 205A und dem zweiten Qubit 205B ein Fernverschränken ausführt, indem sowohl der erste als auch der zweite Ausleseresonator 210A bzw. 210B bei der Frequenz X (z.B. 10 GHz) ausgelesen werden.
Der JPC 100 ist so konfiguriert, dass er ein erstes Auslesesignal (z.B. das Mikrowellensignal 151') mit der Frequenz X zu dem ersten Ausleseresonator 210A in dem ersten Qubit-Resonatorsystem 220A überträgt und ein zweites Auslesesignal (z.B. das Mikrowellensignal 152') mit der Frequenz X zu dem zweiten Ausleseresonator 210B in dem zweiten Qubit-Resonatorsystem 220B überträgt. Die Photonen des ersten und des zweiten Auslesesignals 151' und 152' werden bei der Frequenz X durch den JPC 100 fernverschränkt, wodurch das erste Qubit 205A und das zweite Qubit 205B verschränkt werden, die mit dem ersten Ausleseresonator 210A bzw. dem zweiten Ausleseresonator 210B verbunden sind, deren Resonanzfrequenz X ist.
Die Frequenz X ist der gleiche Wert (z.B. 10 GHz) für das erste und das zweite Auslesesignal 151' bzw. 152'. Der erste und der zweite Ausleseresonator 210A und 210B sind jeweils mit einer Resonanzfrequenz gleich der Frequenz X (z.B. 10 GHz) konfiguriert.
Zu technischen Vorteilen gehört ein JPC, und der JPC ist so konfiguriert, dass er verschränkte Photonenpaare erzeugt, die sich auf verschiedenen Übertragungsleitungen ausbreiten, während die verschränkten Photonenpaare die gleiche Frequenz haben. Die Fähigkeit, verschränkte Photonen zu erzeugen, die die gleiche Frequenz haben, kann in bestimmten Szenarien vorteilhaft sein wie beispielsweise dem Folgenden. Der JPC kann zum Fernverschränken verschiedener Qubits verwendet werden, die mit Ausleseresonatoren verbunden sind, bei denen die Ausleseresonatoren die gleiche Frequenz haben (was den Aufbau des Qubit-Resonators vereinfacht). Ein Erzeugen von verschränkten Photonen mit der gleichen Frequenz (d.h. mit der Signal- und Leerlaufresonatorfrequenz) ermöglicht ein Messen/Erfassen von Zwei-Modi-Quetscheffekten zwischen diesen verschränkten Photonen durch Welleninterferenz unter Verwendung passiver einheitlicher Strahlteiler wie beispielsweise Hybride. Es wird darauf hingewiesen, dass Zwei-Moden-Quetschen (Quetschen mit zwei Modi) eine wichtige Rolle bei Quantenkommunikationen und beim Auslesen von Quantenzuständen mit hoher Genauigkeit spielen kann. Wenn außerdem Detektoren für einzelne Mikrowellen-Photonen verwendet werden, um diese Photonen zu detektieren, können die Photonendetektoren identisch sein (d.h., die Photonendetektoren müssen keine unterschiedlichen Frequenzen erfassen). Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann der JPC dazu verwendet werden, die Integration von zwei oder mehr JPCs auf einem Chip beispielsweise zum Bilden eines quantenlimitierten Richtverstärkers erheblich zu vereinfachen.
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

Quantenlimitierter Mikrowellenverstärker, wobei der Verstärker aufweist: einen Josephson-Ringmodulator ‚JRM‘; einen ersten Resonator mit konzentrierten Elementen, der mit dem JRM verbunden ist, wobei der erste Resonator mit konzentrierten Elementen ein oder mehrere erste konzentrierte Elemente enthält; und einen zweiten Resonator mit konzentrierten Elementen, der mit dem JRM verbunden ist, wobei der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen ein oder mehrere zweite konzentrierte Elemente enthält; wobei der JRM, der erste Resonator mit konzentrierten Elementen und der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen einen parametrischen Josephson-Umsetzer „JPC“ bilden; wobei das eine oder die mehreren ersten konzentrierten Elemente und das eine oder die mehreren zweiten konzentrierten Elemente gleichgroße Werte haben, wodurch der JPC so konfiguriert wird, dass er spektral entartet ist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem JRM um eine Mehrzahl von Josephson-Übergängen handelt, die in einer Schleife verbunden sind.
Verstärker nach Anspruch 1, der ferner einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist.
Verstärker nach Anspruch 3, wobei der erste Anschluss über erste Koppelkondensatoren mit dem ersten Resonator mit konzentrierten Elementen verbunden ist; und wobei der zweite Anschluss über zweite Koppelkondensatoren mit dem zweiten Resonator mit konzentrierten Elementen verbunden ist.
Verstärker nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem ersten und dem zweiten Koppelkondensator um konzentrierte Elemente handelt; und wobei die konzentrierten Elemente aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Spaltkondensatoren, verzahnten Kondensatoren und Plattenkondensatoren besteht.
Verstärker nach Anspruch 3, wobei der erste Anschluss so konfiguriert ist, dass er ein erstes Mikrowellensignal mit einer ersten Frequenz über einen Differenzanschluss eines ersten Hybridkopplers empfängt, und der zweite Port so konfiguriert ist, dass er ein zweites Mikrowellensignal mit einer zweiten Frequenz über einen anderen Differenzanschluss eines zweiten Hybridkopplers empfängt, wobei die erste und die zweite Frequenz gleich sind.
Verstärker nach Anspruch 6, wobei der JPC so konfiguriert ist, dass das erste Mikrowellensignal und das zweite Mikrowellensignal, die die gleiche Frequenz haben, verstärkt werden, ohne dass das erste Mikrowellensignal aus dem Differenzanschluss des zweiten Hybridkopplers austritt und ohne dass das zweite Mikrowellensignal aus dem anderen Differenzanschluss des ersten Hybridkopplers austritt, obwohl der JPC so konfiguriert ist, dass er spektral entartet ist.
Verstärker nach Anspruch 7, wobei der erste Anschluss oder der zweite Anschluss so konfiguriert ist, dass er eine Eingabe eines Mikrowellen-Pumpsignals bei einer Pumpfrequenz empfängt, wobei das Mikrowellen-Pumpsignal über einen Summenanschluss des ersten Hybridkopplers oder des zweiten Hybridkupplers empfangen wird.
Verstärker nach Anspruch 8, wobei es sich bei der Pumpfrequenz um eine Summe der ersten und der zweiten Frequenz handelt.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei der erste Resonator mit konzentrierten Elementen und der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen aus supraleitendem Werkstoff hergestellt sind.
Verfahren zum Konfigurieren eines quantenlimitierten Mikrowellenverstärkers, wobei das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen eines Josephson-Ringmodulators ‚JRM‘; Bereitstellen eines ersten Resonators mit konzentrierten Elementen, der mit dem JRM verbunden ist, wobei der erste Resonator mit konzentrierten Elementen ein oder mehrere erste konzentrierte Elemente enthält; und Bereitstellen eines zweiten Resonators mit konzentrierten Elementen, der mit dem JRM verbunden ist, wobei der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen ein oder mehrere zweite konzentrierte Elemente enthält; wobei der JRM, der erste Resonator mit konzentrierten Elementen und der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen einen parametrischen Josephson-Umsetzer „JPC“ bilden; wobei das eine oder die mehreren ersten konzentrierten Elemente und das eine oder die mehreren zweiten konzentrierten Elemente gleichgroße Werte haben, wodurch der JPC so konfiguriert wird, dass er spektral entartet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem JRM um eine Mehrzahl von Josephson Übergängen handelt, die in einer Schleife verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der JPC einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Anschluss mit dem ersten Resonator mit konzentrierten Elementen über erste Koppelkondensatoren verbunden ist; und wobei der zweite Anschluss mit dem zweiten Resonator mit konzentrierten Elementen über zweite Koppelkondensatoren verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei es sich bei den ersten und zweiten Koppelkondensatoren um konzentrierte Elemente handelt; und wobei die konzentrierten Elemente aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Spaltkondensatoren, verzahnten Kondensatoren und Plattenkondensatoren besteht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Anschluss so konfiguriert ist, dass er ein erstes Mikrowellensignal mit einer ersten Frequenz über einen Differenzanschluss eines ersten Hybridkopplers empfängt und der zweite Anschluss so konfiguriert ist, dass er ein zweites Mikrowellensignal mit einer zweiten Frequenz über einen anderen Differenzanschluss eines zweiten Hybridkopplers empfängt, wobei die erste und die zweite Frequenz gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der JPC so konfiguriert ist, dass er das erste Mikrowellensignal und das zweite Mikrowellensignal, die die gleiche Frequenz haben, verstärkt, ohne dass das erste Mikrowellensignal aus dem Differenzanschluss eines zweiten Hybridkopplers austritt, und ohne dass das zweite Mikrowellensignal aus dem anderen Differenzanschluss des ersten Hybridkopplers austritt, obwohl der JPC so konfiguriert ist, dass er spektral entartet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der erste Anschluss oder der zweite Anschluss so konfiguriert ist, dass er eine Eingabe eines Mikrowellen-Pumpsignals mit einer Pumpfrequenz empfängt, wobei das Mikrowellen-Pumpsignal über einen Sammelanschluss des ersten Hybridkopplers oder des zweiten Hybridkupplers empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Pumpfrequenz eine Summe aus der ersten und der zweiten Frequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste Resonator mit konzentrierten Elementen und der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen aus supraleitendem Werkstoff hergestellt sind.
System zum Fernverschränken von Qubits durch Messung, wobei das System aufweist: einen parametrischen Josephson-Umsetzer ‚JPC‘; ein erstes Qubit-Resonatorsystem, das mit dem JPC verbunden ist, wobei das erste Qubit-Resonatorsystem ein erstes Qubit enthält, das mit einem ersten Ausleseresonator verbunden ist; und ein zweites Qubit-Resonatorsystem, das mit dem JPC verbunden ist, wobei das zweite Qubit-Resonatorsystem ein zweites Qubit enthält, das mit einem zweiten Ausleseresonator gekoppelt ist, wobei der JPC so konfiguriert ist, dass er das erste Qubit und das zweite Qubit fernverschränkt durch Auslesen des ersten und des zweiten Ausleseresonators mit der Frequenz X.
System nach Anspruch 20, wobei der JPC so konfiguriert ist, dass er ein erstes Auslesesignal mit der Frequenz X zu dem ersten Auslese-Resonator in dem ersten Qubit-Resonatorsystem überträgt, und ein zweites Auslesesignal mit der Frequenz X zu dem zweiten Auslese Resonator in dem zweiten Qubit-Resonatorsystem überträgt; und wobei Photonen des ersten und des zweiten Auslesesignals durch den JPC mit der Frequenz X verschränkt werden, wodurch das erste Qubit und das zweite Qubit verschränkt werden.
System nach Anspruch 21, wobei die Frequenz X sowohl für das erste als auch für das zweite Auslesesignal den gleichen Wert hat; und wobei der erste und der zweite Ausleseresonator jeweils so konfiguriert sind, dass eine Resonanzfrequenz gleich der Frequenz X ist.
System nach Anspruch 21, wobei der JPC enthält: einen JRM, einen ersten Resonator mit konzentrierten Elementen, der mit dem JRM verbunden ist, wobei der erste Resonator mit konzentrierten Elementen ein oder mehrere erste konzentrierte Elemente enthält, und einen zweiten Resonator mit konzentrierten Elementen, der mit dem JRM verbunden ist, wobei der zweite Resonator mit konzentrierten Elementen ein oder mehrere zweite konzentrierte Elemente enthält, wobei das eine oder die mehreren ersten konzentrierten Elemente und das eine oder die mehreren zweiten konzentrierten Elemente denselben Wert haben, wodurch der JPC so konfiguriert ist, dass er spektral entartet ist.
Verfahren zum Konfigurieren eines Systems zum Fernverschränken von Qubits durch Messung, wobei das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen eines parametrischen Josephson-Umsetzers ‚JPC‘; Bereitstellen eines ersten Qubit-Resonatorsystems, das mit dem JPC verbunden ist, wobei das erste Qubit-Resonatorsystem ein erstes Qubit enthält, das mit einem ersten Ausleseresonator verbunden ist; und Bereitstellen eines zweiten Qubit-Resonatorsystems, das mit dem JPC verbunden ist, wobei das zweite Qubit-Resonatorsystem ein zweites Qubit enthält, das mit einem zweiten Ausleseresonator verbunden ist, wobei der JPC so konfiguriert ist, dass er das erste Qubit und das zweite Qubit fernverschränkt durch Auslesen sowohl des ersten als auch des zweiten Ausleseresonators mit der Frequenz X.