JP2009194646A

JP2009194646A - マイクロ波スイッチ回路

Info

Publication number: JP2009194646A
Application number: JP2008033378A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Nakamura; 泰信中村
Original assignee: NEC Corp; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: NEC Corp; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】低損失かつ多極間の伝播を高速切り替え可能なマイクロ波分岐スイッチ回路を提供する。
【解決手段】マイクロ波スイッチ回路の、３つあるいはそれ以上の入出力ポート１０１，１０２，１０３間に、個々のポートとキャパシタ１０８，１０９，１１０を介して結合した可変共振器１０５，１０６，１０７とを配置し、それぞれの共振器１０５，１０６，１０７がキャパシタ１０８，１０９，１１０を介して相互作用するように配置し、超伝導量子磁束干渉計１１６，１１７，１１８に制御電流線１２１を介して制御回路１２４，１２５，１２６からの制御電流によりインダクタンスを変化させて、共振周波数を変えてスイッチ動作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波スイッチ回路に関し、特に超伝導素子を用いた低損失かつ多極間の伝播を高速切り替え可能なマイクロ波分岐スイッチ回路に関する。

近年の量子情報処理理論の発展に伴い、量子情報処理を実現するために、様々なハードウェアの提案がなされている。量子情報処理では量子ビットを情報の基本単位として扱い、個々の量子ビットの状態を制御する１ビットゲートや、２つの量子ビット間で条件付制御を行なう２ビットゲートを組み合わせることにより量子演算が行なわれる。

例えば、非特許文献１の図５では、互いに直接的には相互作用していない２つの量子ビットの間で２ビットゲートを実現するための新たな手法として、コヒーレントなマイクロ波パルスを各々の量子ビットと交互に相互作用させるという方法が提案されている。

また、非特許文献２、３のように基板上の超伝導回路を用いてマイクロ波の光子を１つずつ発生させたり、非特許文献３のように発生したマイクロ波光子の評価を基板上で行なったりするなど、マイクロ波を用いたオンチップの量子情報制御技術が進展している。

Quantum computation by communication, (New Journal of Physics/Vol. 8/27 Feb 2006, page 30) Generating Single Microwave Photons in a Circuit (arXiv: cond-mat/0702648v1, 27 Feb 2007) On-Chip Microwave Fock States and Quantum Homodyne Measurements (arXiv:cond-mat/0509737v2, 28 Feb 2006)

しかしながら、非特許文献１に示されたような方法を実現するにあたってはいくつかの技術的問題がある。また、非特許文献２，３に示されたようなオンチップの超伝導マイクロ波制御技術と融合可能なマイクロ波スイッチ回路を実現するにあたっても同様の課題がある。

第１の問題点は、マイクロ波パルスを２つの量子ビットと交互に相互作用させるのが難しいということである。これを実現するためには、多数の量子ビットの中から選ばれた２つの量子ビットの間をマイクロ波パルスが伝播する経路を選び、高速に切り替えることができなければならない。しかしながら、従来の機械的リレーを用いたマイクロ波スイッチでは応答速度が限られる。

第２の問題点は、非特許文献１等に記載されたマイクロ波伝播経路は低損失でなければならない。非特許文献１の方法では、多少の損失は許されるが、従来の半導体素子を用いたマイクロ波スイッチ回路では損失が大きすぎる。

本発明の目的は、低損失かつ高速切り替え可能なマイクロ波スイッチ回路を提供することにある。

本発明のマイクロ波スイッチ回路は３つあるいはそれ以上の入出力ポートと、個々のポートとキャパシタを介して結合した可変共振器とを有し、それぞれの共振器がキャパシタを介した相互作用を有する。

本発明によれば、共振周波数を可変できる共振器を各入出力ポートに接続し、そのうち、２つの共振器における共振周波数のみを伝送するマイクロ波のキャリア周波数に共鳴させるとすることで、多極間の伝播の選択を実現したマイクロ波スイッチ回路を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ波スイッチ回路の平面図が示されている。図示されたマイクロ波スイッチ回路は３つの入出力ポート１０１、１０２、及び、１０３を有し、この例に示された入出力ポート１０１〜１０３はコプレーナ型マイクロ波伝送線路によって構成された信号線である。コプレーナ型マイクロ波伝送線路は、シリコン酸化膜等によって覆われた基板上に形成されている。

入出力ポート１０１−１０３の周辺には、当該コプレーナ型マイクロ波伝送線路のグラウンドプレーン１０４が配置されている。また、それぞれの伝送線路は同じ特性インピーダンスを持つように設計されている。

更に、図示された入出力ポート１０１〜１０３には、それぞれ両端開放型のコプレーナ型可変共振器１０５−１０７が結合されている。可変共振器１０５〜１０７の一端は、入出力ポート１０１〜１０３に対してそれぞれキャパシタ１０８、１０９、１１０を介して結合されている。また、可変共振器１０５〜１０７の他端の中央部には、キャパシタ１１２が設けられている。この結果、可変共振器１０５〜１０７は、後述するように、キャパシタ１１２を介して相互作用を行う。

図示された可変共振器１０５〜１０７には、それぞれ途中に、超伝導量子磁束干渉計（ＳＱＵＩＤ）１１６、１１７、１１８が配置されている。各ＳＱＵＩＤ１１６〜１１８は２つに分岐した超伝導線が構成するループを持ち、それぞれのアームの途中に薄い絶縁体のトンネルバリア１２０が超伝導体に挟まれたジョセフソン接合を持つ。

図２を参照すると、可変共振器１０５の具体的な構成が示されている。図からも明らかな通り、可変共振器１０５は、コプレーナ型マイクロ波伝送線路の一部に設けられた開口部と、当該開口部の両側に設けられたトンネルバリア１２０とによって形成されたＳＱＵＩＤ１１６を有している。図２では可変共振器１０５のみを示したが、他の可変共振器１０６、１０７も同様な構成を有している。

図示されたＳＱＵＩＤ１１６〜１１８には、それぞれ超伝導制御電流線１２１に流れる電流によってループを貫く磁束を制御することができる。その結果、ＳＱＵＩＤ１１６〜１１８の持つインダクタンスが変化し、可変共振器１０５〜１０７全体としてのインダクタンスも変化する。

ＳＱＵＩＤ１１６〜１１８のインダクタンスを変化させるため、ＳＱＵＩＤ１１６〜１１８には、超伝導制御電流線１２１を介して制御回路１２４、１２５、１２６がそれぞれ接続されている。この構成では、制御回路１２４〜１２６からの制御電流によって、各ＳＱＵＩＤ１１６〜１１８のインダクタンスを大幅に変化させることができる。このため、ＳＱＵＩＤ１１６〜１１８を含む可変共振器１０５〜１０７を共振周波数で動作させることができ、且つ、共振周波数から異なる周波数に変化させて非共鳴状態にすることができる。

可変共振器１０５−１０７のうち、２つの共振器、例えば、１０５と１０６の共振周波数を伝送したいマイクロ波のキャリア周波数に一致するように調整し、他の共振器すなわち１０７の共振周波数を大きくずらした場合、入出力ポート１０１と１０２の間では双方向にマイクロ波を伝播することができる。このとき、可変共振器１０７が非共鳴状態にあるため、入出力ポート１０３にはマイクロ波は漏れ出さない。

また、共振周波数で動作している可変共振器に結合された入出力ポート１０１と１０２との間では、インピーダンス整合が取れているため、入力ポートへの反射もない。入出力ポート１０１〜１０３は任意の２つを選ぶことができ、伝播の方向も任意である。また、制御電流線１２１に流れる電流を高速で制御することにより、伝播の経路を高速に切り替えることが可能である。

図１に示された実施形態に係るマイクロ波スイッチ回路は、当該スイッチを構成する回路要素を全て超伝導体素子によって構成している。この構成によれば、マイクロ波の伝播における損失が非常に小さいという効果が得られる。

［発明の他の実施の形態］
上記実施の形態において、各共振器中の超伝導量子干渉計(ＳＱＵＩＤ)を多数のＳＱＵＩＤを直列に並べたもので構成することができる。

第２の実施の形態では、複数のＳＱＵＩＤを直列に並べているので、共振器の共振周波数の可変領域を拡大するという格別な効果を奏する。また個々のＳＱＵＩＤを構成するジョセフソン接合の臨界電流を大きくすることが可能になり、回路が線形に動作するダイナミックレンジを拡大することが可能になる。更に、ＳＱＵＩＤの持つ大きなインダクタンスのために同じ共振周波数を実現するための共振器のサイズを小さくし、回路をコンパクトにすることができる。

このように、この実施の形態では、可変共振器を直列に接続されたＳＱＵＩＤを用いて構成し、そのＳＱＵＩＤを貫く磁束を制御電流線を流れる電流信号で制御することで、高速切り替えを実現したマイクロ波スイッチ回路を提供することができる。

図３を参照すると、３つのＳＱＵＩＤ１１６ａ、１１６ｂ、及び１１６ｃを直列に接続したマイクロ波スイッチ回路の共振器１０５ａの一例が示されている。図示された共振器１０５ａは、コプレーナ型マイクロ波伝送線路に設けられた３つの開口部と、各開口部の両側に設けられた一対のトンネルバリア１２０ａ、１２０ｂ、及び１２０ｃとによって形成された３つのＳＱＵＩＤ１１６ａ、１１６ｂ、及び、１１６ｃを備え、これら３つのＳＱＵＩＤ１１６ａ、１１６ｂ、及び、１１６ｃは互いに直列に接続されている。

上記した実施の形態では、コプレーナ型共振器を使用したが、これらコプレーナ型共振器はマイクロストリップ型共振器あるいは集中定数回路要素を用いたＬＣ共振器に置き換えられても良い。

また、制御電流線によるＳＱＵＩＤ磁束の制御は、超高速論理動作が可能で量子化磁束を高速に移動させることのできる単一磁束論理（ＳＦＱ）回路を用いて行なってもよい。

以上説明した実施の形態では、３つの入出力ポート１０１〜１０３間でマイクロ波をスイッチする場合について説明したが、本発明は、４つ以上の入出力ポートを備えたスイッチを適用できる。例えば、図４に示した変形例のように、４つの共振器１０５〜１０８を相互に結合するキャパシタ１１２ａによって結合しても良い。

以下、本発明の特徴を列挙しておく。

本発明の第１の特徴は、キャパシタを介して相互作用している複数の共振器のうち入力ポートと選択された出力ポートにつながる２つの共振器の共振周波数のみを、伝播させるマイクロ波パルスのキャリア周波数と一致させ、他は大きく離調することにより、入射したマイクロ波パルスは選択された出力ポートへのみ完全に伝播させることにある。

本発明の第２の特徴は、上記した可変共振器を可変超伝導共振器によって構成したことにある。更に、本発明の第３の特徴は、超伝導量子化磁束干渉計(ＳＱＵＩＤ)を含む可変超伝導共振器を使用することにある。この場合、可変共振器の共振周波数の切り替えはＳＱＵＩＤに印加する磁束を制御電流線に流す電流を変化させることで高速に行なうことができる。入力ポートへの反射や、他のポートへの漏れは生じない。また超伝導共振器を用いるため損失は非常に小さい。

本発明の第４の特徴は、直列に配置された複数の超伝導量子化磁束干渉計（ＳＱＵＩＤ）を含む可変超伝導共振器を使用することにある。この場合、入出力ポートにそれぞれ結合された前記可変共振器には、該可変共振器が互いに等しい共振周波数を持つように制御する制御手段が接続され、且つ、前記共振周波数が前記入出力ポート間に伝送される信号のキャリア周波数に等しくなるように制御される。また、制御手段はそれぞれ前記可変共振器を共振周波数から大きく離調した非共鳴状態にできるような制御電流を流すことができる。

本発明は、量子計算を行う量子コンピュータや量子暗号通信に使用される超伝導回路に適用できる。

本発明のマイクロ波スイッチ回路の第１の実施の形態を示す平面図である。図１に示された共振器を具体的に説明する斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るマイクロ波スイッチ回路の一部を説明する図である。本発明の変形例に係るマイクロ波スイッチ回路のキャパシタ部分を説明する概略図である。

符号の説明

１０１〜１０３入出力ポート
１０４グラウンドプレーン
１０５〜１０７可変共振器
１０８〜１１０キャパシタ
１１２、１１２ａキャパシタ
１１６〜１１８、１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ
超伝導量子磁束干渉計(ＳＱＵＩＤ)
１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃトンネルバリア
１２１制御電流線
１２４〜１２６制御回路

Claims

３つあるいはそれ以上の入出力ポートと、前記入出力ポートとキャパシタを介してそれぞれ結合された可変共振器と、前記可変共振器を互いに相互作用させるキャパシタを有することを特徴とするマイクロ波スイッチ回路。
前記可変共振器は、可変超伝導共振器であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波スイッチ回路。
前記可変超伝導共振器は、超伝導量子磁束計（ＳＱＵＩＤ）を含んでいることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波スイッチ回路。
前記可変超伝導共振器は、互いに直列に配置された複数の超伝導量子化磁束干渉計（ＳＱＵＩＤ）を含むことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波スイッチ回路。
前記入出力ポートにそれぞれ結合された前記可変共振器には、該可変共振器が互いに等しい共振周波数を持つように制御する制御手段が接続され、且つ、前記共振周波数は前記入出力ポート間に伝送される信号のキャリア周波数に等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロ波スイッチ回路。
前記制御手段はそれぞれ前記可変共振器を共振周波数とは異なる非共鳴周波数に制御することを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波スイッチ回路。
複数の入出力ポート間にマイクロ波を選択的に伝播する伝播方法において、前記入出力ポートにそれぞれ可変共振器を結合させると共に、当該可変共振器をキャパシタを介して相互作用させるように構成しておき、選択された入出力ポートに結合された前記可変共振器の共振周波数のみを、伝播させるマイクロ波パルスのキャリア周波数と一致させ、他は大きく離調することにより、入射したマイクロ波パルスを選択された入出力ポート間に伝播させることを特徴とするマイクロ波伝播方法。