JP2021505072A - 帯域幅が重なっていないカスケーディング・マルチパス干渉ジョセフソン・スイッチを使用した周波数多重化マイクロ波信号の選択的スイッチング - Google Patents

Abstract

【課題】カスケーディング選択的マイクロ波スイッチ、カスケーディング選択的マイクロ波スイッチを形成する方法および超電導体製造システムを提供する。【解決手段】カスケーディング選択的マイクロ波スイッチ（カスケード）は、ジョセフソン・デバイスのセットを含み、このセットの中のそれぞれのジョセフソン・デバイスは、対応するマイクロ波周波数動作帯域幅を有し、異なる動作帯域幅は、対応する異なる中心周波数を有する。このセットの中の第１のジョセフソン・デバイスとこのセットの中のｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間に、直列結合が形成されている。この直列結合により、開状態にある第１のジョセフソン・デバイスは、周波数多重化マイクロ波信号（多重化信号）の中の第１の周波数の信号を第１のジョセフソン・デバイスの入力ポートへ反射して戻し、閉状態にあるｎ番目のジョセフソン・デバイスは、多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号をｎ番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートからｎ番目のジョセフソン・デバイスの出力ポートへ伝送する。【選択図】図１

Description

本発明は一般に、量子コンピューティングにおいて超電導キュービット（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕｂｉｔ）とともに使用可能な周波数多重化マイクロ波光スイッチ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｌｉｇｈｔ ｓｗｉｔｃｈ）のためのデバイス、製造方法および製造システムに関する。より詳細には、本発明は、帯域幅が重なっていないカスケーディング・マルチパス干渉ジョセフソン・スイッチ（ｃａｓｃａｄｉｎｇ ｍｕｌｔｉ−ｐａｔｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｓｗｉｔｃｈ）を使用して周波数多重化マイクロ波信号を選択的にスイッチングするためのデバイス、方法およびシステムに関する。このスイッチは、非縮退３波混合ジョセフソン・デバイス（ｎｏｎｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ ｔｈｒｅｅ−ｗａｖｅ−ｍｉｘｉｎｇ Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）に基づく。

使用されている箇所で特に識別されていない限り、本明細書では以降、句の語の中の接頭辞「Ｑ」が、量子コンピューティング文脈においてその語または句に言及していることを示す。

分子および亜原子粒子（ｓｕｂａｔｏｍｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅ）は量子力学の法則に従う。量子力学は、物質界（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｗｏｒｌｄ）がどのように機能しているのかを最も基本的なレベルで探究する物理学の一部門である。このレベルで、粒子は不思議な振舞いを示し、同時に２つ以上の状態をとり、非常に遠く離れた別の粒子と相互作用する。量子コンピューティングはこれらの量子現象を利用して情報を処理する。

現在我々が使用しているコンピュータは、古典的コンピュータ（本明細書では「従来型」コンピュータまたは従来型ノード（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｎｏｄｅ）ないし「ＣＮ」とも呼ぶ）として知られている。従来型コンピュータは、半導体材料および半導体技術、半導体メモリ、ならびに磁気または固体記憶デバイスを使用して製造された従来型のプロセッサを、フォン・ノイマン型アーキテクチャとして知られてアーキテクチャ内で使用する。具体的には、従来型コンピュータのプロセッサは、２進プロセッサ、すなわち１および０で表された２進データに対して演算を実施するプロセッサである。

量子プロセッサ（ｑプロセッサ）は、エンタングルされた（ｅｎｔａｎｇｌｅｄ）キュービット・デバイス（本明細書では簡潔に「キュービット」（「ｑｕｂｉｔ」、複数形は「ｑｕｂｉｔｓ」）と呼ぶ）の変わった性質を使用して、計算タスクを実行する。量子力学が機能する特定の領域において、物質の粒子は、例えば「オン」状態、「オフ」状態、および同時に「オン」と「オフ」の両方の状態など、多数の状態で存在しうる。半導体プロセッサを使用する２進コンピューティングは、（２進コードの１および０と等価の）オン状態およびオフ状態だけを使用することに限定されているが、量子プロセッサは、物質のこれらの量子状態を利用して、データ・コンピューティングで使用可能な信号を出力する。

従来型コンピュータは、情報をビットとしてコード化する。それぞれのビットは値１または０をとることができる。これらの１および０は、コンピュータ機能を最終的に駆動するオン／オフ・スイッチの働きをする。他方、量子コンピュータはキュービットに基づき、キュービットは、量子物理学の鍵となる２つの原理、すなわち重ね合わせ（ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）およびエンタングルメント（ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ）に従って動作する。重ね合わせは、それぞれのキュービットが１と０の両方を同時に表すことができることを意味する。エンタングルメントは、重ね合わせのキュービットを古典的でない手法で互いに相関させることができること、すなわち、１つの状態（それが１なのかもしくは０なのかまたはその両方であるのかは問わない）が別の状態に依存しうること、および２つのキュービットがエンタングルされているときの方が、それらの２つのキュービットが個別に処理されるときよりも、それらの２つのキュービットに関して確認することができるより多くの情報が存在することを意味する。

これらの２つの原理を使用して、キュービットは、従来型コンピュータを使用することによっては手に負えない難しい問題を量子コンピュータが解決することを可能にする手法で量子コンピュータが機能することを可能にする、より洗練された情報プロセッサとして動作する。ＩＢＭ（Ｒ）は、超電導キュービットを使用した量子プロセッサを構築し、その動作可能性（ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ）を示すことに成功した（ＩＢＭは、米国および他の国におけるＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ社の登録商標である）。

超電導キュービットはジョセフソン接合を含む。ジョセフソン接合は、２つの薄膜超電導金属層を非超電導材料によって分離することによって形成される。超電導層の金属を、例えばその金属の温度を指定された極低温まで下げることによって超電導性にすると、非超電導層を通して一方の超電導層からもう一方の超電導層へ電子の対がトンネリングすることができる。キュービットでは、分散非線形インダクタとして機能するジョセフソン接合が、１つまたは複数の容量性デバイスと並列に電気的に結合されて、非線形マイクロ波発振器を形成する。この発振器は、キュービット回路のインダクタンスおよび静電容量の値によって決まる共振／遷移周波数を有する。使用されている箇所で特に識別されていない限り、用語「キュービット」への言及は、ジョセフソン接合を使用した超電導キュービット回路への言及である。

キュービットによって処理された情報は、マイクロ波周波数範囲のマイクロ波信号／光子の形態で搬送または伝送される。それらのマイクロ波信号は、その中にコード化された量子情報を解読するために捕捉、処理および解析される。読出し回路は、キュービットの量子状態を捕捉し、読み出し、測定するためにキュービットに結合された回路である。読出し回路の出力は、計算を実行するためにｑプロセッサによって使用可能な情報である。

超電導キュービットは２つの量子状態、すなわち｜０＞および｜１＞を有する。これらの２つの状態は、原子の２つのエネルギー状態、例えば人工超電導原子（超電導キュービット）の基底状態（｜ｇ＞）および第１の励起状態（｜ｅ＞）とすることができる。他の例には、核スピンまたは電子スピンのスピンアップとスピンダウン、結晶欠陥の２つの位置、量子ドットの２つの状態などがある。このシステムは量子性を有するため、これらの２つの状態の任意の組合せが許容され、有効である。

キュービットを使用した量子コンピューティングを信頼性の高いものにするためには、量子回路、例えばキュービット自体、キュービットに関連した読出し回路および量子プロセッサの他の部分が、エネルギーを注入しもしくは放散させることなどによって、キュービットのエネルギー状態をあまり変更してはならず、またはキュービットの｜０＞状態と｜１＞状態の間の相対位相に影響を与えてはならない。量子情報を使用して動作する回路に対するこの動作上の制約は、このような回路で使用される半導体および超電導構造体を製造する際に特別な考慮を必要とする。

マイクロ波スイッチは、このスイッチが閉じた状態（以後、閉状態）にあるときには、実質的に損失が生じない方式でマイクロ波光波を通過させ（伝送）、開いた状態（以後、開状態）にあるときには、マイクロ波光波を送信者へ反射して戻す（反射）デバイスである。本明細書で「スイッチ」への言及はマイクロ波スイッチへの言及である。言い換えると、スイッチは、２値マイクロ波光ブリッジ（ｂｉｎａｒｙ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｌｉｇｈｔ ｂｒｉｄｇｅ）として動作し、デバイスの応答は、スイッチを横切って光信号が進もうとしている方向（ポート１から２の方向なのかまたはポート２から１の方向なのか）に関わらず、デバイスの状態に依存する。量子コンピューティングにおいて、スイッチは、マイクロ波信号が量子プロセッサに入ることおよび量子プロセッサから出ることを必要に応じて許したりまたは許さなかったりするために使用される。

本明細書では以降、非縮退３波混合ジョセフソン・デバイスに基づくマルチパス干渉ジョセフソン・スイッチを、簡潔に、かつ相互に交換可能に、マルチパス干渉ジョセフソン・スイッチ（Ｍｕｌｔｉ−Ｐａｔｈ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ＳＷｉｔｃｈ：ＭＰＩＪＳＷ）と呼ぶ。ＭＰＩＪＳＷデバイスを、超電導量子回路内のマイクロ波スイッチとして実装することができる。ＭＰＩＪＳＷは、スイッチに結合されたマイクロ波ドライブの位相によってその動作が制御される方向アグノスティック（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｇｎｏｓｔｉｃ）デバイスである。

周波数変換（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）（無光子利得（ｎｏ ｐｈｏｔｏｎ ｇａｉｎ））モードで動作させることにより、超電導非縮退３波混合デバイスをＭＰＩＪＳＷの一部として使用することができる。この非縮退３波混合器をジョセフソン・パラメトリック変換器（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＪＰＣ）とすることができる。

超電導非縮退３波混合器は３つのポートを有する。この３つのポートは、周波数ｆ_Ｓのマイクロ波信号を入力することができる信号ポート（Ｓ）、周波数ｆ_Ｉのアイドラ（ｉｄｌｅｒ）マイクロ波信号を入力することができるアイドラ・ポート（Ｉ）、および周波数ｆ_Ｐ、位相φ_ｐのマイクロ波信号を入力することができるポンプ・ポート（Ｐ）である。（一般性を失わない）１つの構成では、ｆ_Ｐ、ｆ_Ｓおよびｆ_Ｉを互いに比較したときに、ｆ_Ｉが高周波数、ｆ_Ｐが低周波数、ｆ_Ｓが中間周波数（すなわちｆ_Ｉ＞ｆ_Ｓ＞ｆ_Ｐ）である。この超電導非縮退３波混合器が非縮退と特徴づけられるのは、この混合器が、空間とスペクトルの両方に関して異なる２つのモード、すなわちＳモードおよびＩモードを有するためである。

アイドラ・ポートから信号ポートへは、周波数ｆ_２のアイドラ・マイクロ波信号がアイドラ・ポートに入り、ダウンコンバートされ、周波数ｆ_１で信号ポートを出る。信号ポートからアイドラ・ポートへは、周波数ｆ_１のマイクロ波信号が信号ポートに入り、アップコンバートされ、周波数ｆ_２でアイドラ・ポートを出る。ポンプ・マイクロ波信号は、周波数アップ・コンバージョンおよび周波数ダウン・コンバージョンのためのエネルギーを供給する。ポンプ周波数はｆ_Ｐであり、ｆ_Ｐ＝ｆ_Ｉ−ｆ_Ｓ＝ｆ_２−ｆ_１である。

共振に関して、この非縮退３波混合器（例えばＪＰＣ）は、無雑音周波数変換（ｎｏｉｓｅｌｅｓｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）で動作させたときに、以下の散乱行列（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ）を満たす。

上式で、ｔａｎｈ（ｉθ／２）＝ｉ｜ρ｜であり、ρは、（０と１との間を変化する）無次元のポンプ振幅である。

本明細書においてさらに理解されるとおり、この非縮退３波混合器に対する変更として、ポンプの位相φ_ｐ（２つのポンプ信号に対してφ_１およびφ_２として示すことができる）が、本明細書に記載された実施形態に従って利用される。この散乱行列はユニタリ行列であるため、次の関係｜ｒ｜^２＋｜ｔ｜^２＝１を維持する。ここで、ｒは反射係数、ｔは伝送パラメータであり、ｔ’＝−ｔ^＊である（ｔ^＊はｔの共役である）。ユニタリは、この非縮退３波混合器がエネルギーと位相のコヒーレンスとを保存することを意味する。超電導非縮退３波混合デバイスの周波数変換動作点は｜ｒ｜^２＝０、｜ｔ｜^２＝１である。この周波数変換動作点では反射が起こらず、周波数変換によって全伝送となる。

それぞれ同じ周波数変換動作点で動作する非縮退３波混合器の適当な２つの表現物（ｍａｎｉｆｅｓｔａｔｉｏｎ）が、例示的な実施形態に基づくＭＰＩＪＳＷ内の１つの構成要素として使用される。ＪＰＣは、非限定的なそのような１つの表現物である。

量子回路では、マイクロ波信号が２つ以上の周波数を含みうる。一般に、マイクロ波信号は１つの周波数帯域にわたって広がる。ＭＰＩＪＳＷは一般に、そのＭＰＩＪＳＷがそれに合わせて調整された中心周波数の周囲の比較的に幅の狭い周波数帯域で動作する。例示的な実施形態は、たとえ信号の周波数が単一のＭＰＩＪＳＷの動作周波数帯域の外側にある場合であっても、異なる周波数を有する全てのまたは一部のマイクロ波信号の信号をスイッチングすることができる、新しいスイッチ設計が求められていることを認識している。

超電導デバイスならびに該超電導デバイスの製造方法および製造システムを提供する。

一実施形態の超電導デバイスは、カスケーディング選択的マイクロ波スイッチ（カスケード）を形成し、このカスケーディング選択的マイクロ波スイッチ（カスケード）は、ジョセフソン・デバイスのセットであり、このセットの中のそれぞれのジョセフソン・デバイスが、対応するマイクロ波周波数動作帯域幅を有し、異なる動作帯域幅が、対応する異なる中心周波数を有する、ジョセフソン・デバイスのセットと、このセットの中の第１のジョセフソン・デバイスとこのセットの中のｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間の直列結合であり、この直列結合により、開状態にある第１のジョセフソン・デバイスが、周波数多重化マイクロ波信号（多重化信号）の中の第１の周波数の信号を第１のジョセフソン・デバイスの入力ポートへ反射して戻し、閉状態にあるｎ番目のジョセフソン・デバイスが、多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号をｎ番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートからｎ番目のジョセフソン・デバイスの出力ポートへ伝送する、直列結合とを含む。

別の実施形態では、カスケードが、直列結合内のセットの中の（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスをさらに含み、ｎは１よりも大きく、（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスは、第１のジョセフソン・デバイスとｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間の直列結合に含まれており、開状態にある（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスは、多重化信号の中の（ｎ−１）番目の周波数の信号を（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートへ反射して戻す。

別の実施形態では、このカスケードが、直列結合内のセットの中の（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスをさらに含み、ｎが１よりも大きく、（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、第１のジョセフソン・デバイスとｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間の直列結合に含まれており、閉状態にある（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、多重化信号の中の（ｎ−１）番目の周波数の信号を（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートから（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスの出力ポートへ伝送する。

別の実施形態では、この直列結合により、開状態にある第１のジョセフソン・デバイスが、多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号を直列結合を通して伝送し、開状態にあるｎ番目のジョセフソン・デバイスが、第１の周波数の信号を直列結合を通して伝送する。

別の実施形態では、この直列結合により、開いているときの第１のジョセフソン・デバイスが、多重化信号の中から、第１の周波数の信号を除く、第１のジョセフソン・デバイスに入来する全ての周波数の信号を直列結合を通して伝送し、この直列結合により、開いているときのｎ番目のジョセフソン・デバイスが、多重化信号の中から、ｎ番目の周波数の信号を除く、ｎ番目のジョセフソン・デバイスに入来する全ての周波数の信号を直列結合を通して伝送する。

別の実施形態では、第１のジョセフソン・デバイスに対応する第１のマイクロ波周波数動作帯域幅が、少なくとも一部の周波数について、ｎ番目のジョセフソン・デバイスに対応するｎ番目のマイクロ波周波数動作帯域幅と重なっていない。

別の実施形態では、カスケードの全体のスイッチング帯域幅が、第１の動作帯域幅およびｎ番目の動作帯域幅を含む。

別の実施形態では、ジョセフソン・デバイスのセットの中の第１のジョセフソン・デバイスがＭＰＩＪＳＷであり、このＭＰＩＪＳＷが、第１の非縮退マイクロ波混合器デバイス（第１の混合器）と、第２の非縮退マイクロ波混合器デバイス（第２の混合器）と、第１の混合器の入力ポートおよび第２の混合器の入力ポートに結合された第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートと、第１の混合器の入力ポートおよび第２の混合器の入力ポートに結合された第２のＩ／Ｏポートとを備え、ＭＰＩＪＳＷが閉じているときには、第１のＩ／Ｏポートと第２のＩ／Ｏポートの間で伝達される第１の周波数の信号が、第１の混合器内における第１のＩ／Ｏポートと第２のＩ／Ｏポートとの間のどちらの方向に伝搬する間も伝送され、第１の周波数が第１のジョセフソン・デバイスの第１の動作帯域幅内にある。

別の実施形態では、カスケードが、第１のマイクロ波ドライブを、ポンプ周波数および第１のポンプ位相で第１の混合器に注入する第１のマイクロ波ポンプであり、第１の混合器を周波数変換動作点で動作させるように構成された第１のマイクロ波ポンプと、第２のマイクロ波ドライブを、ポンプ周波数および第２のポンプ位相で第２の混合器に注入する第２のマイクロ波ポンプであり、第２の混合器を周波数変換動作点で動作させるように構成された第２のマイクロ波ポンプとをさらに備える。

別の実施形態では、第１の混合器および第２の混合器がそれぞれ非縮退３波混合器である。

別の実施形態では、第１の混合器および第２の混合器がそれぞれジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ）であり、第１の混合器と第２の混合器が公称で全く同じものである。

一実施形態は、超電導デバイスを製造するための製造方法を含む。

一実施形態は、超電導デバイスを製造するための製造システムを含む。

本発明の特徴と考えられる新規の特徴は添付の請求項に示されている。しかしながら、本発明、本発明の好ましい使用モード、本発明のさらなる目的および利点は、添付図面とともに読んだときに、例示的な実施形態の以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解される。

カスケードの中で使用可能な例示的な実施形態に従うＭＰＩＪＳＷの例示的な構成のブロック図である。 カスケードの中で使用可能な例示的な実施形態に従うＭＰＩＪＳＷの別の代替構成を示す図である。 例示的な実施形態に従うカスケーディングＭＰＩＪＳＷの例示的な構成および全体の反射動作のブロック図である。 例示的な実施形態に従うカスケーディングＭＰＩＪＳＷの例示的な伝送動作のブロック図である。 帯域幅が重なっていないカスケーディング・マルチパス干渉ジョセフソン・スイッチを使用して、周波数多重化マイクロ波信号の中の全ての周波数の信号を反射するためまたは伝送するための、例示的な実施形態に従う例示的なプロセスの流れ図である。 例示的な実施形態に従うカスケーディングＭＰＩＪＳＷの例示的な構成および選択的スイッチング動作のブロック図である。 帯域幅が重なっていないカスケーディング・マルチパス干渉ジョセフソン・スイッチを使用して、周波数多重化マイクロ波信号の中の全てでない一部の周波数の信号を伝搬させるためまたはスイッチングするための、例示的な実施形態に従う例示的なプロセスの流れ図である。

本発明を説明するために使用される例示的な実施形態は一般に、一部または全部の周波数多重化マイクロ波信号の信号をスイッチングする上述の必要性を対象とし、そのような必要性を解決する。例示的な実施形態は、帯域幅が重なっていないカスケーディング・マルチパス干渉ジョセフソン・スイッチを含むスイッチデバイスを提供し、このスイッチは、非縮退３波混合ジョセフソン・デバイスに基づく。本明細書では、このようなカスケーディング・スイッチ・デバイスを、簡潔に、カスケーディングＭＰＩＪＳＷと呼ぶ。

１つの周波数または複数の周波数に関して実施すると本明細書に記載された動作は、その１つの周波数または複数の周波数の信号に関して実施すると解釈されるべきである。使用されている箇所で特に識別されていない限り、「信号」への言及は全て、マイクロ波信号への言及である。

用語「周波数多重化信号（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｓｉｇｎａｌ）」は、さまざまな周波数の多数の信号を含む複合信号を指し、したがって、この用語は、一緒に多重化されたさまざまな周波数の複数の信号を指す複数形の用語「周波数多重化信号（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ）」と異なるものではない。したがって、これらの２つの用語は相互に交換可能に使用され、多重化された異なる周波数の２つ以上の信号、またはデバイスに対してもしくは動作において一緒に示された異なる周波数の２つ以上の信号を意味する。

一実施形態は、カスケーディングＭＰＩＪＳＷの構成を提供する。別の実施形態は、カスケーディングＭＰＩＪＳＷの製造方法を、ソフトウェア・アプリケーションとして実施することができるような形で提供する。製造方法の実施形態を実施するこのアプリケーションは、リソグラフィ・システムなどの既存の超電導体製造システムとともに機能するように構成することができる。

説明を分かりやすくするため、その説明に限定される含意なしに、例示的な実施形態は、いくつかの例示的な構成を使用して説明される。この開示から、当業者は、記載された目的を達成するための記載された構成の多くの改変、適合および変更を考案することができ、例示的な実施形態の範囲内で同じことが企図される。

さらに、図および例示的な実施形態では、例示的な混合器、ハイブリッド（ｈｙｂｒｉｄ）および他の回路構成要素の簡略図が使用される。実際の製造または回路には、例示的な実施形態の範囲を逸脱することなく、本明細書に示されていないもしくは本明細書に記載されていない追加の構造体もしくは構成要素、または、示された構造体もしくは構成要素とは異なるが本明細書に記載された目的にかなう構造体もしくは構成要素が存在することがある。

さらに、実際のまたは仮定の特定の構成要素に関して、例示的な実施形態は単なる例として記載されている。例示的なさまざまな実施形態によって説明されたステップを、カスケーディングＭＰＩＪＳＷ内の記載された機能を提供することを目的としうる、またはそのような機能を提供するために転用しうるさまざまな構成要素を使用して回路を製造するように適合させることができ、そのような適合は、例示的な実施形態の範囲に含まれることが企図される。

例示的な実施形態は、あるタイプの材料、電気特性、ステップ、数、周波数、回路、構成要素および用途に関して、単なる例として説明される。これらのアーチファクトおよび他の同様のアーチファクトの特定の表現物が本発明を限定することは意図されていない。例示的な実施形態の範囲内で、これらのアーチファクトおよび他の同様のアーチファクトの適当な表現物を選択することができる。

本開示の例は、説明を分かりやすくするためだけに使用され、例示的な実施形態を限定するものではない。本明細書に挙げられた利点は、単なる例であり、それらの利点が例示的な実施形態を限定することは意図されていない。特定の例示的な実施形態によって追加の利点または異なる利点を実現することができる。さらに、特定の例示的な実施形態は、上に挙げた利点の一部もしくは全部を有することがあり、または上に挙げた利点を１つも持たないことがある。

図１を参照して、この図は、カスケードの中で使用可能な例示的な実施形態に従うＭＰＩＪＳＷの例示的な構成のブロック図を示す。ＭＰＩＪＳＷ構成１００は、非縮退３波混合器１０２Ａと非縮退３波混合器１０２Ｂの対１０２を含む。非縮退３波混合器１０２Ａおよび非縮退３波混合器１０２Ｂはそれぞれ、（周波数変換動作点の一例である）ビーム・スプリッタ動作点で動作している。

非縮退３波混合器１０２Ａは、物理ポートａ１（信号ポートＳに対応）、ｂ１（信号ポートＩに対応）、ｐ１（信号ポートＰに対応）およびｂ１’（信号ポートＩに対応）を備えるように構成されている。ポンプ周波数（ｆ_Ｐ）は、アイドラ周波数（ｆ_２）と入力信号周波数（ｆ_１）の差であり、式１０８に従う。

同様に、非縮退３波混合器１０２Ｂは、物理ポートａ２、ｂ２、ｐ２およびｂ２’、ポンプ周波数（ｆ_Ｐ）を備えるように構成されている。混合器１０２Ａのポートｂ１と混合器１０２Ｂのポートｂ２は伝送線１０３を使用して互いに結合されている。

９０°ハイブリッド１０４のポート１および２はそれぞれ、本明細書に記載されたＭＰＩＪＳＷ１００のポート１および２を形成する。非縮退３波混合器１０２Ａのポートａ１はハイブリッド１０４のポート３に結合されている。非縮退３波混合器１０２Ｂのポートａ２はハイブリッド１０４のポート４に結合されている。

非縮退３波混合器１０２Ａおよび１０２Ｂのこの構成１００、ならびに記載された構成要素を使用した同様の目的の他の可能な構成は、記号１１０として簡潔に表現される。例えば、図２は、記載された構成要素を使用した同様の目的の別の可能な構成を示す。記号１１０の枠内の接点間にかかる棒線の状態は、記号１１０内のポート１からポート２またはポート２からポート１への信号に対するスイッチの伝送（閉）状態または反射（開）状態を表す（この図に示された記号１１０は開いたスイッチを示している）。言い換えると、ＭＰＩＪＳＷ１１０は、閉じているときには、信号をポート２からポート１（またはポート１からポート２）へ伝送するが、開いているときには、ポート１からの入来信号をポート１の外へ反射して戻す（またはポート２からの入来信号をポート２の外へ反射して戻す）。

このＭＰＩＪＳＷデバイスのこの直列接続は、直観的には理解できない。電気要素または電子要素の通常の直列結合では、直列のパラメータ（例えば直列の帯域幅）が、直列鎖の中のそのパラメータの最弱／最小／最低値によって制限される。それらの要素の直列全体はその最弱／最小／最低値で動作する。対照的に、ＭＰＩＪＳＷデバイスのカスケードでは、カスケードの中で使用されているＭＰＩＪＳＷデバイスの特別な特性のため、帯域外信号（デバイスの帯域幅に含まれない信号周波数）に作用が及ばず、帯域外信号は、単純に通過することが許される。それぞれのデバイスは、信号のうち、そのデバイスの帯域幅内にある部分にだけ作用し（そのような部分だけをスイッチングし）、したがって、その帯域幅において非直観的な付加的スパン（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｓｐａｎ）を提供する。

図２を参照して、この図は、カスケードの中で使用可能な例示的な実施形態に従うＭＰＩＪＳＷの別の代替構成を示す。ハイブリッド２０４は９０°ハイブリッドである。ハイブリッド２０４は、図１のハイブリッド１０４が非縮退３波混合器１０２Ａおよび１０２Ｂを備えるように構成されているのと実質的に同様に、ハイブリッドレスＪＰＣ（ｈｙｂｒｉｄ−ｌｅｓｓ ＪＰＣ）２０２ＡおよびハイブリッドレスＪＰＣ２０２Ｂを備えるように構成されている。構成２００は、単一のポンプ・ドライブをハイブリッド２０６とともに使用して、ハイブリッドレスＪＰＣ２０２ＡおよびハイブリッドレスＪＰＣ２０２Ｂにポンプ入力を供給する。構成２００も記号１１０によって表される。

図３〜図５は、異なる周波数を有する全ての周波数多重化マイクロ波信号の信号を伝送するためまたは反射するためのカスケーディング構成および該カスケーディング構成を動作させる方式を説明する。図６〜図７は、全てでない一部の周波数多重化マイクロ波信号の信号を選択的に伝送するためまたは反射するための異なるカスケーディング構成および該カスケーディング構成を動作させる方式を説明する。

図３を参照して、この図は、例示的な実施形態に従うカスケーディングＭＰＩＪＳＷの例示的な構成および全体の反射動作のブロック図を示す。このカスケーディング構成は、カスケードされたいずれかのＭＰＩＪＳＷデバイスの帯域幅内の異なる周波数を有する全ての周波数多重化マイクロ波信号の信号を反射する。ＭＰＩＪＳＷデバイス３０２_１、３０２_２．．．３０２_Ｎはそれぞれ、記号１１０に従うＭＰＩＪＳＷである。ＭＰＩＪＳＷデバイス３０２_１〜３０２_Ｎは、構成３００の中のカスケードされたＮ個（Ｎ＞１）のＭＰＩＪＳＷデバイスを表す。

ＭＰＩＪＳＷデバイスのカスケーディングは、ＭＰＩＪＳＷデバイスの直列接続であり、この直列接続によって、マイクロ波信号入力を受け取るために、最初のＭＰＩＪＳＷ（３０２_１）の一方のポート（ポート１または２）が外部回路に結合され、最初のＭＰＩＪＳＷ（３０２_１）のもう一方のポート（対応してポート２または１）が次のＭＰＩＪＳＷ（３０２_２）の一方のポートに結合され、次のＭＰＩＪＳＷ（３０２_２）のもう一方のポートが次のＭＰＩＪＳＷの一方のポートに結合され、以下同様に結合され、最終的にＮ−１番目のＭＰＩＪＳＷの一方のポートが最後のＭＰＩＪＳＷ（３０２_Ｎ）の一方のポートに結合され、最後のＭＰＩＪＳＷ（３０２_Ｎ）のもう一方のポートが、カスケード３００がマイクロ波信号出力を提供する先の外部回路に結合される。

カスケード３００のそれぞれのＭＰＩＪＳＷ３０２_１〜３０２_Ｎは、それぞれのＭＰＩＪＳＷ３０２_１〜３０２_Ｎが、開いているときに、そのＭＰＩＪＳＷの一方のポートで受け取った入力信号を同じポートへ反射して戻すように構成されている（全てのスイッチが開いている）。

さらに、カスケード３００の中のそれぞれのＭＰＩＪＳＷ３０２_１〜３０２_Ｎは、実質的に重なっていない周波数帯域で動作する。例えば、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１は、中心周波数がｆ_１である狭い帯域幅（ＢＷ_１）内で動作する。すなわちＢＷ_１の半分はｆ_１以下であり、ＢＷ_１の半分はｆ_１よりも大きい。したがって、ＢＷ_１は［ｆ_１−ＢＷ_１／２からｆ_１＋ＢＷ_１／２］である。同様に、ＭＰＩＪＳＷ３０２_２は、中心周波数ｆ_２および［ｆ_２−ＢＷ_２／２からｆ_２＋ＢＷ_２／２］のＢＷ_２を有する。セットの中のＭＰＩＪＳＷデバイスは同様の方式で規定され、ＭＰＩＪＳＷ３０２_Ｎは、中心周波数ｆ_Ｎおよび［ｆ_Ｎ−ＢＷ_Ｎ／２からｆ_Ｎ＋ＢＷ_Ｎ／２］のＢＷ_Ｎを有する。ＢＷ_１．．．ＢＷ_Ｎは重なっていないか、またはわずかな量だけ重なっている。

カスケーディング構成３００の中のＭＰＩＪＳＷは、そのＭＰＩＪＳＷがそれに合わせて調整された周波数帯域幅内の信号に対してだけ動作する。言い換えると、ＭＰＩＪＳＷは、（ポート２からポート１への方向に流れる）そのＭＰＩＪＳＷの動作帯域幅内に含まれる周波数の信号だけを反射する。ＭＰＩＪＳＷは、そのＭＰＩＪＳＷが開状態にあるのかまたは閉状態にあるのかに関わらず、そのＭＰＩＪＳＷの動作帯域幅の外側の周波数の信号を、両方向に、実質的に損失が生じない方式で通過させる。

例えば、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１は、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１が開いている場合、ＢＷ_１内の周波数の信号だけを反射し（その周波数の信号がＭＰＩＪＳＷ３０２_１を通過することを実質的に妨げ）、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１が開いているかまたは閉じているのかの状態に関わらず、ＢＷ_２、ＢＷ_３、ＢＷ_４．．．ＢＷ_Ｎ内の周波数の信号が実質的に損失が生じない方式でＭＰＩＪＳＷ３０２_１を通過してＭＰＩＪＳＷ３０２_２に伝送することは許す。ＭＰＩＪＳＷ３０２_１は、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１が閉じているときにだけ、ＢＷ_１内の周波数の信号がＭＰＩＪＳＷ３０２_１を通過してＭＰＩＪＳＷ３０２_２に伝送することを許す。構成３００の中のそれぞれのＭＰＩＪＳＷ３０２_１．．．３０２_Ｎは、そのそれぞれの動作帯域幅に対して、およびその動作帯域幅の外側の周波数に対して同様の方式で動作する。

構成３００において、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１は周波数ｆ_１の信号を反射する。これは、開いているときにはＭＰＩＪＳＷ３０２_１がＢＷ_１内の周波数の信号を反射し、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１が開いており、ｆ_１がＢＷ_１内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＳＷ３０２_１は、開いているにも関わらず、周波数ｆ_２．．．ｆ_Ｎの信号が通過することを許す。これは、それらの周波数がＢＷ_１の外側の周波数であるためである。同様に、ＭＰＩＪＳＷ３０２_２は周波数ｆ_２の信号を反射する。これは、開いているときにはＭＰＩＪＳＷ３０２_２がＢＷ_２内の周波数の信号を反射し、ＭＰＩＪＳＷ３０２_２が開いており、ｆ_２がＢＷ_２内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＳＷ３０２_１で反射されることにより、周波数ｆ_１の信号はＭＰＩＪＳＷ３０２_２に決して到達しない。ＭＰＩＪＳＷ３０２_２は、周波数ｆ_３、ｆ_ｉ．．．ｆ_Ｎの信号が通過することを許す。これは、それらの周波数がＢＷ_２の外側の周波数であるためである。ＭＰＩＪＳＷ３０２_Ｎは周波数ｆ_Ｎの信号を反射する。これは、開いているときにはＭＰＩＪＳＷ３０２_ＮがＢＷ_Ｎ内の周波数の信号を反射し、ＭＰＩＪＳＷ３０２_Ｎが開いており、ｆ_ＮがＢＷ_Ｎ内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＳＷ３０２_１．．．３０２_Ｎ−１で反射されることにより、周波数ｆ_１．．．ｆ_Ｎ−１の信号はＭＰＩＪＳＷ３０２_Ｎに決して到達しない。したがって、この図に示されているとおり、周波数ｆ_１、ｆ_２．．．ｆ_Ｎを多重化した入力信号は、カスケード３００によって完全に反射される。

構成３００は、カスケーディングＭＰＩＪＳＷ３０２として簡潔に表現される。したがって、カスケーディングＭＰＩＪＳＷ３０２が反射することができる有効帯域幅は下記のとおりである。
ＢＷ＝｛［ｆ_１−ＢＷ_１／２からｆ_１＋ＢＷ_１／２］，［ｆ_２−ＢＷ_２／２からｆ_２＋ＢＷ_２／２］，．．．［ｆ_Ｎ−ＢＷ_Ｎ／２からｆ_Ｎ＋ＢＷ_Ｎ／２］｝

カスケーディングＭＰＩＪＳＷ３０２の反射帯域幅ＢＷは、構成３００の中のどの単一のＭＰＩＪＳＷの反射帯域幅よりも大きい。したがって、カスケーディングＭＰＩＪＳＷ３０２は、単一のＭＰＩＪＳＷの動作帯域幅よりも幅広い帯域幅にわたって動作可能である。

図４を参照して、この図は、例示的な実施形態に従うカスケーディングＭＰＩＪＳＷの例示的な伝送動作のブロック図を示す。カスケード３００、ＭＰＩＪＳＷデバイス３０２_１、３０２_２．．．３０２_ＮおよびカスケーディングＭＰＩＪＳＷ３０２は図３と同じものである。周波数ｆ_１は、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１のＢＷ_１内の周波数、ｆ_２は、ＭＰＩＪＳＷ３０２_２のＢＷ_２内の周波数、．．．ｆ_Ｎは、ＭＰＩＪＳＷ３０２_ＮのＢＷ_Ｎ内の周波数である。

この図の伝送動作では、全てのスイッチが閉じている。カスケード３００の入力ポート、例えばカスケード３００の最初のＭＰＩＪＳＷ（３０２_１）のポート１（またはポート２）に、周波数ｆ_１、ｆ_２．．．ｆ_Ｎの信号が入力される。カスケード３００では、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１が周波数ｆ_１の信号を次のスイッチ（ＭＰＩＪＳＷ３０２_２）に伝送する。これは、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１がＢＷ_１内の周波数の信号を伝送し、ｆ_１がＢＷ_１内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＳＷ３０２_１はさらに、周波数ｆ_２．．．ｆ_Ｎの信号を次のスイッチに伝送する。これは、それらの周波数が帯域幅ＢＷ_１の外側の周波数であるためである。このように動作すると、ＭＰＩＪＳＷ３０２_１は、多重化入力マイクロ波信号の中の全ての周波数の信号を事実上伝送する。同様に、２番目からｎ番目のそれぞれのＭＰＩＪＳＷも、それらのそれぞれの帯域幅ＢＷ_２．．．ＢＷ_Ｎに関する同様の論拠により、周波数ｆ_１．．．ｆ_Ｎの信号を伝送する。

このように動作すると、それぞれのＭＰＩＪＳＷは、閉じているときに、そのＭＰＩＪＳＷの帯域幅内の周波数の信号を伝送し、そのＭＰＩＪＳＷの帯域幅の外側の周波数の信号を伝送する。したがって、カスケード３００は事実上、周波数多重化マイクロ波信号入力の完全な伝送を実行する。

構成３００に従うカスケーディングＭＰＩＪＳＷ３０２は、カスケーディングＭＰＩＪＳＷ３０２が伝送することができる下記の有効帯域幅を有する。
ＢＷ＝｛［ｆ_１−ＢＷ_１／２からｆ_１＋ＢＷ_１／２］，［ｆ_２−ＢＷ_２／２からｆ_２＋ＢＷ_２／２］，．．．［ｆ_Ｎ−ＢＷ_Ｎ／２からｆ_Ｎ＋ＢＷ_Ｎ／２］｝

この場合も、カスケーディングＭＰＩＪＳＷ３０２の伝送帯域幅ＢＷは、構成３００の中のどの単一のＭＰＩＪＳＷの帯域幅よりも大きい。したがって、カスケーディングＭＰＩＪＳＷ３０２は、単一のＭＰＩＪＳＷの動作帯域幅よりも幅広い帯域幅にわたる周波数多重化信号を伝送するように動作可能である。

図５を参照して、この図は、帯域幅が重なっていないカスケーディング・マルチパス干渉ジョセフソン・スイッチを使用して、周波数多重化マイクロ波信号の中の全ての周波数の信号を反射するためまたは伝送するための、例示的な実施形態に従う例示的なプロセスの流れ図を示す。プロセス５００は、図３および図４に記載された動作のためにカスケーディングＭＰＩＪＳＷ３０２を使用して実施することができる。

ジョセフソン・デバイスのセットの中のそれぞれのジョセフソン・デバイスをＭＰＩＪＳＷとして構成する（ブロック５０２）。１つのＭＰＩＪＳＷを別のＭＰＩＪＳＷに直列接続で接続することにより、これらのＭＰＩＪＳＷデバイスをカスケードとして接続する（ブロック５０４）。この直列接続の中のＭＰＩＪＳＷデバイスは、直列の中の全てのＭＰＩＪＳＷデバイスが、カスケード内で同時に、それらのそれぞれの周波数のマイクロ波信号を反射または伝送するように構成される。このカスケードは、セットの中の全てのＭＰＩＪＳＷデバイスをこのように直列に追加することによって構築される（ブロック５０６）。

このカスケードは、直列の中のいずれかのＭＰＩＪＳＷデバイスの帯域幅に対応する周波数の信号を含む入力マイクロ波信号を（図３の場合のように）反射するように、または（図４の場合のように）伝送するように動作する（ブロック５０８）。

次に、図６〜図７は、周波数多重化マイクロ波信号の全てでない一部の周波数の信号を選択的に反射する（したがって同じく選択的に伝送する）ための異なるカスケーディング構成および該カスケーディング構成を動作させる方式を説明する。

図６を参照して、この図は、例示的な実施形態に従うカスケーディングＭＰＩＪＳＷの例示的な構成および選択的スイッチング動作のブロック図を示す。このカスケーディング構成は、周波数多重化マイクロ波信号の中の一部の周波数だけの信号を反射する。ＭＰＩＪＳＷデバイス６０２_１、６０２_２．．．６０２_Ｎはそれぞれ、記号１１０に従うＭＰＩＪＳＷである。ＭＰＩＪＳＷデバイス６０２_１〜６０２_Ｎは、構成６００の中のカスケードされたＮ個（Ｎ＞１）のＭＰＩＪＳＷデバイスを表す。

ＭＰＩＪＳＷデバイスのカスケーディングは、ＭＰＩＪＳＷデバイスの直列接続であり、この直列接続によって、直列の中のＭＰＩＪＳＷを、１つまたは複数のＭＰＩＪＳＷデバイスが開き、同時に１つまたは複数のＭＰＩＪＳＷデバイスが閉じるように接続することができる。例えば、非限定的な例示的なカスケード６００は、周波数多重化マイクロ波信号入力を受け取るために最初のＭＰＩＪＳＷ（６０２_１。例示的な構成６００では閉じている）のポートを外部回路に結合することによって形成される。最初のＭＰＩＪＳＷ（６０２_１）のもう一方のポートは、次のＭＰＩＪＳＷ（６０２_２。例示的な構成６００では開いている）のポートに結合される。ＭＰＩＪＳＷ６０２_２のもう一方のポートは次のＭＰＩＪＳＷのポートに結合され、以下同様に結合され、最終的にＮ−１番目のＭＰＩＪＳＷのポートが最後のＭＰＩＪＳＷ（６０２_Ｎ。例示的な構成６００で閉じている）のポートに結合される。最後のＭＰＩＪＳＷ（６０２_Ｎ）のもう一方のポートが、カスケード６００がマイクロ波信号出力を提供する先の外部回路に結合される。

限定する一切の含意なしに、単に説明を分かりやすくするために、例示的な構成６００は、１つだけのＭＰＩＪＳＷ（６０２_２）が開いているように示されている。ある周波数の信号を選択的に反射するカスケードを構築するために、任意の数のＭＰＩＪＳＷデバイスを直列に結合し、それらのデバイスを開き、任意の数のＭＰＩＪＳＷデバイスを直列に結合し、それらのデバイスを閉じることができる。このように構築されたカスケードは、開いたＭＰＩＪＳＷデバイスに対応する周波数の信号を反射して戻し、閉じたＭＰＩＪＳＷデバイスに対応する周波数の信号を伝送する。

したがって、周波数多重化マイクロ波信号の中のどのグループの信号周波数を伝送しなければならないのかに応じて、それらの周波数に対応する帯域を有する１つまたは複数のＭＰＩＪＳＷ６０２_１〜６０２_Ｎが、カスケード６００内の閉じたＭＰＩＪＳＷとして構成される。また、周波数多重化マイクロ波信号の中のどの信号周波数を反射しなければならないのかに応じて、それらの周波数に対応する帯域を有する１つまたは複数のＭＰＩＪＳＷ６０２_１〜６０２_Ｎが、カスケード６００内の開いたＭＰＩＪＳＷとして構成される。

さらに、カスケード６００の中のそれぞれのＭＰＩＪＳＷ６０２_１〜６０２_Ｎは、実質的に重なっていない周波数帯域で動作する。例えば、ＭＰＩＪＳＷ６０２_１は、中心周波数がｆ_１である比較的に狭い帯域幅（ＢＷ_１）内で動作する。すなわちＢＷ_１の半分はｆ_１以下であり、ＢＷ_１の半分はｆ_１よりも大きい。したがって、ＢＷ_１は［ｆ_１−ＢＷ_１／２からｆ_１＋ＢＷ_１／２］である。同様に、ＭＰＩＪＳＷ６０２_２は、中心周波数ｆ_２および［ｆ_２−ＢＷ_２／２からｆ_２＋ＢＷ_２／２］のＢＷ_２を有する。セットの中のＭＰＩＪＳＷデバイスは同様の方式で規定され、（Ｎ−１）番目のＭＰＩＪＳＷは、中心周波数ｆ_Ｎ−１および［ｆ_Ｎ−１−ＢＷ_Ｎ−１／２からｆ_Ｎ−１＋ＢＷ_Ｎ−１／２］のＢＷ_Ｎ−１を有し、ＭＰＩＪＳＷ６０２_Ｎは、中心周波数ｆ_Ｎおよび［ｆ_Ｎ−ＢＷ_Ｎ／２からｆ_Ｎ＋ＢＷ_Ｎ／２］のＢＷ_Ｎを有する。ＢＷ_１．．．ＢＷ_Ｎは重なっていないか、またはわずかな量だけ重なっている。

カスケーディング構成６００の中のＭＰＩＪＳＷは、そのＭＰＩＪＳＷがそれに合わせて調整された周波数帯域幅の信号だけを反射する。言い換えると、ＭＰＩＪＳＷは、開いているときに、（そのＭＰＩＪＳＷのポート２からポート１またはポート１からポート２の方向に流れる）その動作帯域幅内に含まれる周波数の信号を反射する。ＭＰＩＪＳＷは、そのＭＰＩＪＳＷが開いているのかまたは閉じているのかに関わらず、そのＭＰＩＪＳＷの動作帯域幅の外側の周波数の信号を、両方向に、実質的に損失が生じない方式で通過させる。

例えば、ＭＰＩＪＳＷ６０２_２は、ＭＰＩＪＳＷ６０２_２が開いている場合、ＢＷ_２内の周波数の信号だけを反射し、ＭＰＩＪＳＷ６０２_２の状態の如何に関わらず、ＢＷ_１、ＢＷ_３、ＢＷ_４．．．ＢＷ_Ｎ−１、ＢＷ_Ｎ内の周波数の信号が実質的に損失が生じない方式で通過することは許す。閉じているとき、ＭＰＩＪＳＷ６０２_２は、ＢＷ_２内の周波数の信号だけでなく、ＢＷ_１、ＢＷ_３、ＢＷ_４．．．ＢＷ_Ｎ−１、ＢＷ_Ｎ内の周波数の信号も、実質的に損失が生じない方式で、任意の方向（ポート１からポート２の方向またはポート２からポート１の方向）に伝送する。構成６００の中のそれぞれのＭＰＩＪＳＷ６０２_１．．．６０２_Ｎは、そのそれぞれの動作帯域幅に対して、およびその動作帯域幅の外側の周波数に対して同様の方式で動作する。

構成６００において、ＭＰＩＪＳＷ６０２_１は、周波数ｆ_１の信号を次のＭＰＩＪＳＷ（ＭＰＩＪＳＷ６０２_２）に伝送する。これは、閉じているときにはＭＰＩＪＳＷ６０２_１がＢＷ_１内の周波数の信号を伝送し、ＭＰＩＪＳＷ６０２_１が閉じており、ｆ_１がＢＷ_１内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＳＷ６０２_１は、周波数ｆ_２．．．ｆ_Ｎの信号を伝送する。これは、それらの周波数がＢＷ_１の外側の周波数であるためである。しかしながら、ＭＰＩＪＳＷ６０２_２は、カスケード６００内で開状態として構成されており、したがって周波数ｆ_２の信号を反射する。これは、開いているときにはＭＰＩＪＳＷ６０２_２がＢＷ_２内の周波数の信号を反射し、ＭＰＩＪＳＷ６０２_２が開いており、ｆ_２がＢＷ_２内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＳＷ６０２_２は、周波数ｆ_１、ｆ_ｉ．．．ｆ_Ｎ−１、ｆ_Ｎの信号を伝送する。これは、それらの周波数がＢＷ_２の外側の周波数であるためである。ｆ_２が帯域ＢＷ_１の外側にあるこの反射経路では、ＭＰＩＪＳＷ６０２_１が、ｆ_２の信号が逆方向に伝送されることを許し、その結果、ｆ_２の信号は、カスケード６００の入力ポート上の送信者まで反射して戻される。カスケード６００の中の全ての他のＭＰＩＪＳＷデバイスが閉じたデバイスとして構成されていると仮定すると、ｆ_１、ｆ_３．．．ｆ_ｉ．．．ｆ_Ｎ−１、ｆ_Ｎの信号を含む（ｆ_２の信号は含まない）多重化信号はＭＰＩＪＳＷ６０２_Ｎに到達する。ＭＰＩＪＳＷ６０２_Ｎは周波数ｆ_Ｎの信号を伝送する。これは、閉じているときにはＭＰＩＪＳＷ６０２_ＮがＢＷ_Ｎ内の周波数の信号を伝送し、ＭＰＩＪＳＷ６０２_Ｎが閉じており、ｆ_ＮがＢＷ_Ｎ内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＳＷ６０２_Ｎは、周波数ｆ_１、ｆ_３．．．ｆ_ｉ．．．ｆ_Ｎ−１の信号を伝送する。これは、それらの周波数がＢＷ_Ｎの外側の周波数であるためである。したがって、この図に示されているとおり、周波数ｆ_１、ｆ_２．．．ｆ_Ｎを多重化した入力信号は、選択された周波数ｆ_１、ｆ_３．．．ｆ_ｉ．．．ｆ_Ｎについては実質的に損失が生じない方式（ゼロ減衰またはごくわずかな減衰）でカスケード６００によって伝送され、周波数ｆ_２の信号は、入力信号から選択的に反射して戻される。

一般化すると、（カスケードの一方のポートの）入力信号が周波数ｆ_Ａ、ｆ_Ｂ、ｆ_Ｃ、ｆ_Ｄ、ｆ_Ｅ、ｆ_Ｆ、ｆ_Ｇおよびｆ_Ｈの信号を有し、（ｆ_Ａの信号を反射する）ＭＰＩＪＳＷ Ａ、（ｆ_Ｃの信号を反射する）Ｃ、（ｆ_Ｅの信号を反射する）Ｅ、（ｆ_Ｇの信号を反射する）Ｇが閉じており、（ｆ_Ｂの信号を反射する）ＭＰＩＪＳＷ Ｂ、（ｆ_Ｄの信号を反射する）Ｄ，（ｆ_Ｆの信号を反射する）Ｆ、（ｆ_Ｈの信号を反射する）Ｈが開いている場合、（カスケードのもう一方のポートの）出力信号はｆ_Ａ、ｆ_Ｃ、ｆ_Ｅおよびｆ_Ｇの信号だけを含み、ｆ_Ｂ、ｆ_Ｄ、ｆ_Ｆおよびｆ_Ｈの信号は反射される。

したがって、カスケード６００がある周波数の信号を選択的に反射すること（したがって選択的に伝送すること）ができる有効帯域幅は下記のとおりである。
ＢＷ＝｛［ｆ_１−ＢＷ_１／２からｆ_１＋ＢＷ_１／２］，［ｆ_２−ＢＷ_２／２からｆ_２＋ＢＷ_２／２］，．．．［ｆ_Ｎ−ＢＷ_Ｎ／２からｆ_Ｎ＋ＢＷ_Ｎ／２］｝

カスケード６００の反射帯域幅または伝送帯域幅ＢＷは、構成６００の中のどの単一のＭＰＩＪＳＷの反射帯域幅または伝送帯域幅よりも大きい。したがって、カスケード６００は、単一のＭＰＩＪＳＷの動作帯域幅よりも幅広い帯域幅にわたる周波数多重化信号に対して動作可能である。

図７を参照して、この図は、帯域幅が重なっていないカスケーディング・マルチパス干渉ジョセフソン・スイッチを使用して、周波数多重化マイクロ波信号の中の全てでない一部の周波数の信号を伝搬させるためまたはスイッチングするための、例示的な実施形態に従う例示的なプロセスの流れ図を示す。プロセス７００は、図６に記載された動作のためにカスケード６００を使用して実施することができる。

ジョセフソン・デバイスのセットの中のそれぞれのジョセフソン・デバイスをＭＰＩＪＳＷとして構成する（ブロック７０２）。１つのＭＰＩＪＳＷを別のＭＰＩＪＳＷに直列接続で接続することにより、これらのＭＰＩＪＳＷデバイスをカスケードとして接続する（ブロック７０４）。この直列接続の中のＭＰＩＪＳＷデバイスは、直列の中の少なくとも一部のＭＰＩＪＳＷデバイス（開いているＭＰＩＪＳＷデバイス）が、それらのそれぞれの周波数のマイクロ波信号をカスケードの入力ポートへ後方に反射するように構成される。このカスケードは、セットの中の全てのＭＰＩＪＳＷデバイスをこのように直列に追加することによって構築される（ブロック７０６）。

このカスケードは、直列の中のいずれかの開いているＭＰＩＪＳＷデバイスに対応する周波数を含む周波数多重化入力マイクロ波信号を（図６の場合のように）選択的に反射するように動作する（ブロック７０８）。

ＭＰＩＪＳＷデバイスの回路要素およびそれらの回路要素への接続は、超電導材料でできたものとすることができる。対応するそれぞれの共振器および伝送／フィード／ポンプ線は、超電導材料でできたものとすることができる。ハイブリッド・カプラは、超電導材料でできたものとすることができる。（約１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）または約４Ｋなどの低温で）超電導性である材料の例は、ニオブ、アルミニウム、タンタルなどを含む。例えば、ジョセフソン接合は超電導材料でできており、それらのトンネル接合は、酸化アルミニウムなどの薄いトンネル障壁でできたものとすることができる。キャパシタは、低損失誘電体材料によって分離された超電導材料でできたものとすることができる。さまざまな要素を接続する伝送線（すなわちワイヤ）は、超電導材料でできたものとすることができる。

本明細書では、本発明のさまざまな実施形態が関連図を参照して説明される。本発明の範囲を逸脱することなく代替実施形態を考案することができる。以下の説明および図面には、要素間のさまざまな接続および位置関係（例えば上、下、隣りなど）が記載されているが、たとえ向きが変わっても記載された機能が維持されるときには、本明細書に記載された位置関係の多くは向きとは無関係であることを当業者は理解するであろう。これらの接続もしくは位置関係またはその両方は、特に指定されていない限り、直接的なものであることまたは間接的なものであることができ、本発明は、この点に関して限定を意図したものではない。したがって、実在物の結合は、直接結合または間接結合であることがあり、実在物間の位置関係は、直接的位置関係または間接的位置関係であることができる。間接的位置関係の例として、本明細書の説明に、層「Ａ」を層「Ｂ」の上に形成すると記載されているとき、それは、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連特性および機能が中間層（例えば層「Ｃ」）によって実質的に変更されない限りにおいて、層「Ａ」と層「Ｂ」との間に１つまたは複数の中間層が存在する状況を含む。

特許請求の範囲および本明細書の解釈のために、以下の定義および略語が使用される。本明細書で使用されるとき、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」もしくは「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、またはこれらの用語の他の変異語は、非排他的包含（ｎｏｎ−ｅｘｌｕｓｉｖｅ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）をカバーすることが意図されている。例えば、要素のリストを含む組成物、混合物、プロセス、方法、物品または装置は、必ずしもそれらの要素だけに限定されるわけではなく、明示的にはリストに入れられていない他の要素、あるいはこのような組成物、混合物、プロセス、方法、物品または装置に固有の他の要素を含みうる。

さらに、本明細書では、用語「例示的な」が、「例、事例または実例として役立つ」ことを意味するものとして使用されている。本明細書に「例示的」として記載された実施形態または設計は必ずしも、他の実施形態または設計よりも好ましいまたは有利であるとは解釈されない。用語「少なくとも１つの」および「１つまたは複数の」は、１以上の任意の整数、すなわち１、２、３、４などを含むと理解される。用語「複数の」は、２以上の任意の整数、すなわち２、３、４、５などを含むと理解される。用語「接続」は、間接「接続」および直接「接続」を含みうる。

本明細書において「一実施形態」、「実施形態」、「例示的な実施形態」などへの言及は、記載されたその実施形態は特定の特徴、構造もしくは特性を含むことができるが、全ての実施形態がその特定の特徴、構造もしくは特性を含むこともありまたは含まないこともあることを示す。さらに、このような句が、同じ実施形態を指しているとは限らない。さらに、実施形態に関して特定の特徴、構造または特性が記載されているとき、明示的に記載されているか否かを問わない他の実施形態に関してそのような特徴、構造または特性に影響を及ぼすことは、当業者の知識の範囲内にあることが提示される。

用語「約」、「実質的に」、「およそ」およびこれらの用語の変異語は、特定の数量の測定に関連した、本出願の提出時に利用可能な機器に基づく誤差の程度を含むことが意図されている。例えば、「約」は、所与の値の±８％、５％または２％の範囲を含みうる。

本発明のさまざまな実施形態の以上の説明は、例示のために示したものであり、以上の説明が網羅的であること、または、以上の説明が、開示された実施形態だけに限定されることは意図されていない。当業者には、記載された実施形態の範囲および思想を逸脱しない多くの変更および変形が明らかである。本明細書で使用した用語は、実施形態の原理、実用的用途、もしくは市販されている技術にはない技術的改良点を最もよく説明するように、または本明細書に記載された実施形態を当業者が理解できるように選択した。

Claims (20)

1. ジョセフソン・デバイスのセットであり、前記セットの中のそれぞれのジョセフソン・デバイスが、対応するマイクロ波周波数動作帯域幅を有し、異なる動作帯域幅が、対応する異なる中心周波数を有する、前記ジョセフソン・デバイスのセットと、
   前記セットの中の第１のジョセフソン・デバイスと前記セットの中のｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間の直列結合であり、前記直列結合により、開状態にある前記第１のジョセフソン・デバイスが、周波数多重化マイクロ波信号（多重化信号）の中の第１の周波数の信号を前記第１のジョセフソン・デバイスの入力ポートへ反射して戻し、閉状態にある前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号を前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートから前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスの出力ポートへ伝送する、前記直列結合と
   を備える、カスケーディング選択的マイクロ波スイッチ（カスケード）。
2. 前記直列結合内の前記セットの中の（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスをさらに備え、ｎが１よりも大きく、前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、前記第１のジョセフソン・デバイスと前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間の前記直列結合に含まれており、前記開状態にある前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中の（ｎ−１）番目の周波数の信号を前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートへ反射して戻す、
   請求項１に記載のカスケード。
3. 前記直列結合内の前記セットの中の（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスをさらに備え、ｎが１よりも大きく、前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、前記第１のジョセフソン・デバイスと前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間の前記直列結合に含まれており、前記閉状態にある前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中の（ｎ−１）番目の周波数の信号を前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートから前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスの出力ポートへ伝送する、
   請求項１に記載のカスケード。
4. 前記直列結合により、前記開状態にある前記第１のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中の前記ｎ番目の周波数の前記信号を前記直列結合を通して伝送し、前記開状態にある前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記第１の周波数の信号を前記直列結合を通して伝送する、
   請求項１に記載のカスケード。
5. 前記直列結合により、開いているときの前記第１のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中から、前記第１の周波数の前記信号を除く、前記第１のジョセフソン・デバイスに入来する全ての周波数の信号を前記直列結合を通して伝送し、
   前記直列結合により、開いているときの前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中から、前記ｎ番目の周波数の前記信号を除く、前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスに入来する全ての周波数の信号を前記直列結合を通して伝送する、
   請求項１に記載のカスケード。
6. 前記第１のジョセフソン・デバイスに対応する第１のマイクロ波周波数動作帯域幅が、少なくとも一部の周波数について、前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスに対応するｎ番目のマイクロ波周波数動作帯域幅と重なっていない、
   請求項１に記載のカスケード。
7. 前記カスケードの全体のスイッチング帯域幅が、前記第１の動作帯域幅および前記ｎ番目の動作帯域幅を含む、
   請求項６に記載のカスケード。
8. ジョセフソン・デバイスの前記セットの中の前記第１のジョセフソン・デバイスがＭＰＩＪＳＷであり、前記ＭＰＩＪＳＷが、
   第１の非縮退マイクロ波混合器デバイス（第１の混合器）と、
   第２の非縮退マイクロ波混合器デバイス（第２の混合器）と、
   前記第１の混合器の入力ポートおよび前記第２の混合器の入力ポートに結合された第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートと、
   前記第１の混合器の前記入力ポートおよび前記第２の混合器の前記入力ポートに結合された第２のＩ／Ｏポートと
   を備え、
   前記ＭＰＩＪＳＷが閉じているときには、前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートとの間で伝達される第１の周波数の前記信号が、前記第１の混合器内における前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートとの間のどちらの方向に伝搬する間も伝送され、前記第１の周波数が前記第１のジョセフソン・デバイスの第１の動作帯域幅内にある、
   請求項１に記載のカスケード。
9. 第１のマイクロ波ドライブを、ポンプ周波数および第１のポンプ位相で前記第１の混合器に注入する第１のマイクロ波ポンプであり、前記第１の混合器を周波数変換動作点で動作させるように構成された前記第１のマイクロ波ポンプと、
   第２のマイクロ波ドライブを、前記ポンプ周波数および第２のポンプ位相で前記第２の混合器に注入する第２のマイクロ波ポンプであり、前記第２の混合器を前記周波数変換動作点で動作させるように構成された前記第２のマイクロ波ポンプと
   をさらに備える、請求項８に記載のカスケード。
10. 前記第１の混合器および前記第２の混合器がそれぞれ非縮退３波混合器である、請求項８に記載のカスケード。
11. 前記第１の混合器および前記第２の混合器がそれぞれジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ）であり、前記第１の混合器と前記第２の混合器が公称で全く同じものである、請求項８に記載のカスケード。
12. カスケーディング選択的マイクロ波スイッチ（カスケード）を形成する方法であって、前記方法が、
    ジョセフソン・デバイスのセットを製造することであって、前記セットの中のそれぞれのジョセフソン・デバイスが、対応するマイクロ波周波数動作帯域幅を有し、異なる動作帯域幅が、対応する異なる中心周波数を有する、前記製造することと、
    前記セットの中の第１のジョセフソン・デバイスと前記セットの中のｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間の直列結合を形成することであって、前記直列結合により、開状態にある前記第１のジョセフソン・デバイスが、周波数多重化マイクロ波信号（多重化信号）の中の第１の周波数の信号を前記第１のジョセフソン・デバイスの入力ポートへ反射して戻し、閉状態にある前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号を前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートから前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスの出力ポートへ伝送する、前記形成することと
    を含む、方法。
13. 超電導体製造システムであって、カスケーディング選択的マイクロ波スイッチ（カスケード）を製造するために動作させたときに、
    ジョセフソン・デバイスのセットを製造することであって、前記セットの中のそれぞれのジョセフソン・デバイスが、対応するマイクロ波周波数動作帯域幅を有し、異なる動作帯域幅が、対応する異なる中心周波数を有する、前記製造することと、
    前記セットの中の第１のジョセフソン・デバイスと前記セットの中のｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間の直列結合を形成することであって、前記直列結合により、開状態にある前記第１のジョセフソン・デバイスが、周波数多重化マイクロ波信号（多重化信号）の中の第１の周波数の信号を前記第１のジョセフソン・デバイスの入力ポートへ反射して戻し、閉状態にある前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号を前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートから前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスの出力ポートへ伝送する、前記形成することと
    を含む動作を実行する、超電導体製造システム。
14. 前記直列結合内の前記セットの中の（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスをさらに備え、ｎが１よりも大きく、前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、前記第１のジョセフソン・デバイスと前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間の前記直列結合に含まれており、前記開状態にある前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中の（ｎ−１）番目の周波数の信号を前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートへ反射して戻す、
    請求項１３に記載の超電導体製造システム。
15. 前記直列結合内の前記セットの中の（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスをさらに備え、ｎが１よりも大きく、前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、前記第１のジョセフソン・デバイスと前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスとの間の前記直列結合に含まれており、前記閉状態にある前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中の（ｎ−１）番目の周波数の信号を前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスの入力ポートから前記（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスの出力ポートへ伝送する、
    請求項１３に記載の超電導体製造システム。
16. 前記直列結合により、前記開状態にある前記第１のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中の前記ｎ番目の周波数の前記信号を前記直列結合を通して伝送し、前記開状態にある前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記第１の周波数の信号を前記直列結合を通して伝送する、
    請求項１３に記載の超電導体製造システム。
17. 前記直列結合により、開いているときの前記第１のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中から、前記第１の周波数の前記信号を除く、前記第１のジョセフソン・デバイスに入来する全ての周波数の信号を前記直列結合を通して伝送し、
    前記直列結合により、開いているときの前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記多重化信号の中から、前記ｎ番目の周波数の前記信号を除く、前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスに入来する全ての周波数の信号を前記直列結合を通して伝送する、
    請求項１３に記載の超電導体製造システム。
18. 前記第１のジョセフソン・デバイスに対応する第１のマイクロ波周波数動作帯域幅が、少なくとも一部の周波数について、前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスに対応するｎ番目のマイクロ波周波数動作帯域幅と重なっていない、
    請求項１３に記載の超電導体製造システム。
19. 前記カスケードの全体のスイッチング帯域幅が、前記第１の動作帯域幅および前記ｎ番目の動作帯域幅を含む、
    請求項１８に記載の超電導体製造システム。
20. ジョセフソン・デバイスの前記セットの中の前記第１のジョセフソン・デバイスがＭＰＩＪＳＷであり、前記ＭＰＩＪＳＷが、
    第１の非縮退マイクロ波混合器デバイス（第１の混合器）と、
    第２の非縮退マイクロ波混合器デバイス（第２の混合器）と、
    前記第１の混合器の入力ポートおよび前記第２の混合器の入力ポートに結合された第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートと、
    前記第１の混合器の前記入力ポートおよび前記第２の混合器の前記入力ポートに結合された第２のＩ／Ｏポートと
    を備え、
    前記ＭＰＩＪＳＷが閉じているときには、前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートとの間で伝達される第１の周波数の前記信号が、前記第１の混合器内における前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートとの間のどちらの方向に伝搬する間も伝送され、前記第１の周波数が前記第１のジョセフソン・デバイスの第１の動作帯域幅内にある、
    請求項１３に記載の超電導体製造システム。