JP2021505076A - 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方向性増幅器を使用した周波数多重化マイクロ波信号の増幅 - Google Patents

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方向性増幅器を使用した周波数多重化マイクロ波信号の増幅 Download PDF

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Abstract

【課題】カスケーディング・マイクロ波方向性増幅器、カスケーディング・マイクロ波方向性増幅器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・マイクロ波方向性増幅器（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。直列内の第１の信号流れ方向において、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の周波数の信号を増幅し、ｎ番目の周波数の信号を増幅なしで伝搬させ、ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、ｎ番目の周波数の信号を増幅し、多重化信号の中の第１の周波数の信号を増幅なしで伝搬させるように、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。【選択図】図３

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増幅器（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｌｉｇｈｔ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）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方向性増幅器（ｃａｓｃａｄｉｎｇ ｍｕｌｔｉ−ｐａｔｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を使用して周波数多重化マイクロ波信号を増幅するためのデバイス、方法およびシステムに関する。この方向性増幅器は、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。
方向性マイクロ波増幅器は、一方向においては、マイクロ波光波がデバイスを通過するときにマイクロ波光波のパワーを増大させ（増幅し）（順方向の顕著な順方向利得）、反対方向においては、マイクロ波光波が通過しようとしたときにマイクロ波光波をあまり増幅しまたは減衰させることなく通過させる（逆方向のわずかな逆方向利得）デバイスである。本明細書で「増幅器」への言及は方向性マイクロ波増幅器への言及である。言い換えると、増幅器は、マイクロ波光パワーの増強器として動作し、デバイスの応答は、デバイス内をマイクロ波光が伝搬する方向に依存する。量子コンピューティングでは、処理後の信号にほとんどまたは全く雑音を追加することなく、指定された流れ方向に量子プロセッサに入る弱いマイクロ波信号および量子プロセッサを出た弱いマイクロ波信号を増幅するために、低雑音の増幅器が使用される。
本明細書では以降、非縮退３波混合ジョセフソン・パラメトリック・デバイスに基づくマルチパス干渉ジョセフソン方向性増幅器を、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方向性増幅器（Ｍｕｌｔｉ−Ｐａｔｈ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＰＩＪＤＡ）と呼ぶ。ＭＰＩＪＤＡデバイスを、超電導量子回路内のマイクロ波増幅器として実装することができる。ＭＰＩＪＤＡ内での方向性増幅は、デバイスを駆動している２つのポンプ・トーン（ｐｕｍｐ ｔｏｎｅ）間に位相勾配を与えることによって生成される。ＭＰＩＪＤＡは、順方向において、ＭＰＩＪＤＡの帯域幅内の周波数を有する信号を大幅に増幅する。ＭＰＩＪＤＡの帯域幅内の周波数を有する、逆方向に伝搬している信号は、２ｄＢ程度の少量（わずかな量）だけ増幅され、一方、ＭＰＩＪＤＡの帯域の外側の周波数を有する信号は、逆方向において、利得なしでまたはごくわずかな利得で伝送される。説明を分かりやすくするため、ＭＰＩＪＤＡ内の逆方向の増幅は、どの周波数の信号でもゼロ利得（ｚｅｒｏ−ｇａｉｎ）とみなす。
増幅（光子利得（ｐｈｏｔｏｎ ｇａｉｎ））モードで動作させることにより、超電導非縮退３波混合パラメトリック増幅器デバイスをＭＰＩＪＤＡの一部として使用することができる。この非縮退３波パラメトリック増幅器をジョセフソン・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波混合パラメトリック増幅器は３つのポートを有する。この３つのポートは、周波数ｆＳ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ｆＩ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ｆＰ、パワーＰＰ、位相φｐ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。この超電導非縮退３波混合パラメトリック増幅器が非縮退と特徴づけられるのは、この増幅器が、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。
それぞれ小さな３〜７ｄＢの利得を限度に動作する非縮退３波混合パラメトリック増幅器の適当な２つの表現物（ｍａｎｉｆｅｓｔａｔｉｏｎ）が、例示的な実施形態に基づくＭＰＩＪＤＡ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つ以上の周波数の信号を含みうる。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。ＭＰＩＪＤＡは一般に、そのＭＰＩＪＤＡ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信号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ＭＰＩＪＤＡ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を増幅することができる、新しい増幅器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・マイクロ波方向性増幅器（カスケード）を形成し、このカスケーディング・マイクロ波方向性増幅器（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。この実施形態は、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を含み、この直列結合により、第１のジョセフソン・デバイスが、直列結合内の第１の信号流れ方向において、周波数多重化マイクロ波信号（多重化信号）の中の第１の周波数の信号を増幅し、多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号を増幅なしで伝搬させ、ｎ番目のジョセフソン・デバイスは、直列内の第１の信号流れ方向において、ｎ番目の周波数の信号を増幅し、多重化信号の中の第１の周波数の信号を増幅なしで伝搬させる。
別の実施形態は、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、（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスは、第１の信号流れ方向において、多重化信号から（ｎ−１）番目の周波数の信号を増幅する。
別の実施形態では、この直列結合により、第１のジョセフソン・デバイスが、直列結合内の第１の信号流れ方向において、多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号を増幅なしで伝搬させ、ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、直列内の第１の信号流れ方向において、第１の周波数の信号を増幅なしで伝搬させる。
別の実施形態では、この直列結合により、第１のジョセフソン・デバイスおよびｎ番目のジョセフソン・デバイスが、直列結合内の第２の信号流れ方向において、多重化信号の中の全ての周波数の信号を増幅なしで伝搬させ、第２の信号流れ方向が、第１の信号流れ方向とは反対であり、第１の信号流れ方向が、第１のジョセフソン・デバイスおよびｎ番目のジョセフソン・デバイスの増幅方向である。
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増幅帯域幅が、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ＭＰＩＪＤＡであり、このＭＰＩＪＤＡが、第１の非縮退マイクロ波パラメトリック増幅器デバイス（第１のパラメトリック増幅器）と、第２の非縮退マイクロ波パラメトリック増幅器デバイス（第２のパラメトリック増幅器）と、第１のパラメトリック増幅器の入力ポートおよび第２のパラメトリック増幅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のパラメトリック増幅器の入力ポートおよび第２のパラメトリック増幅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、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のパラメトリック増幅器および第２のパラメトリック増幅器内における第１のＩ／Ｏポートから第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向に伝搬する間は伝送され、第１のパラメトリック増幅器および第２のパラメトリック増幅器内における第２のＩ／Ｏポートから第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝搬する間は実質的に増幅されず、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。すなわち、この増幅器デバイスは、増幅（信号が帯域内にあり、その伝搬方向が増幅器の増幅方向と整列している）、または単位伝送（ｕｎｉｔｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）（信号が帯域の外側にあり、方向は問わない）、またはわずかな増幅（信号が帯域内にあり、その伝搬方向が増幅器の増幅方向とは反対である）を実行する。
別の実施形態は、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のパラメトリック増幅器に注入する第１のマイクロ波ポンプであり、第１のパラメトリック増幅器を低パワー利得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のパラメトリック増幅器に注入する第２のマイクロ波ポンプであり、第２のパラメトリック増幅器を低パワー利得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含む。
別の実施形態では、第１のパラメトリック増幅器および第２のパラメトリック増幅器がそれぞれ非縮退３波混合パラメトリック増幅器である。
別の実施形態では、第１のパラメトリック増幅器および第２のパラメトリック増幅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のパラメトリック増幅器と第２のパラメトリック増幅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ＭＰＩＪＤＡ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ＭＰＩＪＤＡ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ＭＰＩＪＤＡの例示的な構成および増幅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ＭＰＩＪＤＡの利得がゼロに近い通過の逆方向動作の一例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方向性増幅器を使用して、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増幅して伝搬させるためまたは増幅なしで伝搬させるための、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ＭＰＩＪＤＡの例示的な構成および選択的増幅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ＭＰＩＪＤＡの例示的な選択的増幅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方向性増幅器を使用して、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ゼロに近い利得（以後、近ゼロ利得）で伝搬させるためまたは増幅するための、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増幅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方向性増幅器を含む増幅器デバイスを提供し、この増幅器は、非縮退３波混合パラメトリック増幅器ジョセフソン・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増幅器デバイスを、簡潔に、カスケーディングＭＰＩＪＤＡ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ＭＰＩＪＤＡの構成を提供する。別の実施形態は、カスケーディングＭＰＩＪＤＡ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、例示的なパラメトリック増幅器、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ＭＰＩＪＤＡ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、信号周波数、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ＭＰＩＪＤＡの例示的な構成のブロック図を示す。ＭＰＩＪＤＡ構成１００は、非縮退３波混合パラメトリック増幅器１０２Ａと非縮退３波混合パラメトリック増幅器１０２Ｂの対１０２を含む。非縮退３波混合パラメトリック増幅器１０２Ａおよび非縮退３波混合パラメトリック増幅器１０２Ｂはそれぞれ低パワー利得動作点で動作している。
非縮退３波混合パラメトリック増幅器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（ｆＰ）は、アイドラ周波数（ｆ２）と入力信号周波数（ｆ１）の和であり、式１０８に従う。物理ポートｂ１’は、コールド・ターミネータ（ｃｏｌｄ ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ）を使用して終端されている。例えば、ポートｂ１’のコールド・ターミネーション（ｃｏｌｄ ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）を５０オーム終端とすることができる。
増幅器１０２Ａと同様に、非縮退３波混合パラメトリック増幅器１０２Ｂは、物理ポートａ２、ｂ２、ｐ２およびｂ２’、ポンプ周波数（ｆＰ）ならびにコールド・ターミネータを備えるように構成されている。増幅器１０２Ａのポートｂ１と増幅器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ＭＰＩＪＤＡ１００のポート１および２を形成する。非縮退３波混合パラメトリック増幅器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波混合パラメトリック増幅器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波パラメトリック増幅器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の枠内の曲線矢印は、記号１１０内におけるポート１からポート２への信号の増幅方向を表している。言い換えると、ＭＰＩＪＤＡ１１０は、ポート２からポート１への信号は増幅しないが、ポート１からポート２への信号は増幅する。
このＭＰＩＪＤＡ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、ＭＰＩＪＤＡ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ＭＰＩＪＤＡ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周波数の信号）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増幅し）、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ＭＰＩＪＤＡ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波混合パラメトリック増幅器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増幅するためまたは増幅なしで通過させ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８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増幅するためまたは増幅なしで通過させ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ＭＰＩＪＤＡの例示的な構成および増幅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ＭＰＩＪＤＡ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増幅する。ＭＰＩＪＤＡデバイス３０２１、３０２２．．．３０２Ｎはそれぞれ、記号１１０に従うＭＰＩＪＤＡである。ＭＰＩＪＤＡデバイス３０２１〜３０２Ｎは、構成３００の中のカスケードされたＮ個（Ｎ＞１）のＭＰＩＪＤＡデバイスを表す。
ＭＰＩＪＤＡデバイスのカスケーディングは、ＭＰＩＪＤＡ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（カスケード３００は曲線矢印によって示された増幅方向に動作していると仮定する）、最初のＭＰＩＪＤＡ（３０２１）のポート１が外部回路に結合され、最初のＭＰＩＪＤＡ（３０２１）のポート２が次のＭＰＩＪＤＡ（３０２２）のポート１に結合され、次のＭＰＩＪＤＡ（３０２２）のポート２が次のＭＰＩＪＤＡのポート１に結合され、以下同様に結合され、最終的にＮ−１番目のＭＰＩＪＤＡのポート２が最後のＭＰＩＪＤＡ（３０２Ｎ）のポート１に結合され、最後のＭＰＩＪＤＡ（３０２Ｎ）のポート２が、カスケード３００が増幅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ＭＰＩＪＤＡ３０２１〜３０２Ｎは、それぞれのＭＰＩＪＤＡ３０２１〜３０２Ｎが、同じ方向（それらのそれぞれの記号の中の曲線矢印の方向。矢印は全て同じ方向を向いている）に入力信号を増幅し、同じ反対方向（それらのそれぞれの記号の中の曲線矢印の方向とは反対の方向）では入力信号を増幅なしで通過させるように構成されている。
さらに、カスケード３００の中のそれぞれのＭＰＩＪＤＡ３０２１〜３０２Ｎ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、ＭＰＩＪＤＡ３０２１は、中心周波数がｆ１である狭い帯域幅（ＢＷ１）内で動作する。すなわちＢＷ１の半分はｆ１以下であり、ｆ１を含み、ＢＷ１の半分はｆ１よりも大きい。したがって、ＢＷ１は［ｆ１−ＢＷ１／２からｆ１＋ＢＷ１／２］である。同様に、ＭＰＩＪＤＡ３０２２は、中心周波数ｆ２および［ｆ２−ＢＷ２／２からｆ２＋ＢＷ２／２］のＢＷ２を有する。セットの中のＭＰＩＪＤＡデバイスは同様の方式で規定され、ＭＰＩＪＤＡ３０２Ｎは、中心周波数ｆＮおよび［ｆＮ−ＢＷＮ／２からｆＮ＋ＢＷＮ／２］のＢＷＮを有する。ＢＷ１．．．ＢＷＮ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ＭＰＩＪＤＡは、そのＭＰＩＪＤＡ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、ＭＰＩＪＤＡは、（ポート１からポート２への方向に流れる）そのＭＰＩＪＤＡの動作帯域幅内に含まれる周波数の信号を増幅し、（ポート２からポート１への方向に流れる）そのＭＰＩＪＤＡの動作帯域幅内に含まれる周波数の信号を増幅なしで通過させる。ＭＰＩＪＤＡは、そのＭＰＩＪＤＡの動作帯域幅の外側の周波数の信号を、両方向に、実質的にゼロ利得の方式で増幅なしで通過させる。
例えば、ＭＰＩＪＤＡ３０２２のポート１からＭＰＩＪＤＡ３０２２のポート２に信号が流れる場合、ＭＰＩＪＤＡ３０２２は、ＢＷ２内の周波数の信号だけを（かなり大きなパワー利得で）増幅し、ＢＷ１、ＢＷ３、ＢＷ４．．．ＢＷＮ内の周波数の信号が実質的にゼロ利得の方式で増幅方向に流れることは許す。非増幅方向において、ＭＰＩＪＤＡ３０２２は、ＢＷ２内の周波数の信号だけでなく、ＢＷ１、ＢＷ３、ＢＷ４．．．ＢＷＮ内の周波数の信号も、実質的にゼロ利得の方式で通過することを許す。構成３００の中のそれぞれのＭＰＩＪＤＡ３０２１．．．３０２Ｎ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信号周波数に対してこの方式で動作する。
構成３００において、ＭＰＩＪＤＡ３０２１は、増幅方向で周波数ｆ１の信号を増幅する（ＭＰＩＪＤＡ３０２１のポート１およびポート２のｆ１の矢印のサイズを比べられたい（サイズは代表的なものであり、倍率は正確ではない））。これは、ＭＰＩＪＤＡ３０２１がＢＷ１内の周波数の信号を増幅し、ｆ１がＢＷ１内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＤＡ３０２１は、周波数ｆ２．．．ｆＮの信号が増幅なしで通過することを許す。これは、それらの信号周波数がＢＷ１の帯域外の周波数であるためである。同様に、ＭＰＩＪＤＡ３０２２は、増幅方向において周波数ｆ２の信号を増幅する（ＭＰＩＪＤＡ３０２２のポート１およびポート２のｆ２の矢印のサイズを比べられたい（サイズは代表的なものであり、倍率は正確ではない））。これは、ＭＰＩＪＤＡ３０２２がその動作帯域幅ＢＷ２内の周波数の信号を増幅し、ｆ２がＢＷ２内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＤＡ３０２２は、周波数ｆ１、ｆｉ．．．ｆＮの信号が増幅なしで通過することを許す。これは、それらの周波数がＢＷ２の外側の周波数であるためである。ＭＰＩＪＤＡ３０２Ｎは、増幅方向において周波数ｆＮの信号を増幅する（ＭＰＩＪＤＡ３０２Ｎのポート１およびポート２のｆＮの矢印のサイズを比べられたい（サイズは代表的なものであり、倍率は正確ではない））。これは、ＭＰＩＪＤＡ３０２ＮがＢＷＮ内の周波数の信号を増幅し、ｆＮがＢＷＮ内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＤＡ３０２Ｎは、周波数ｆ１．．．ｆＮ−１の信号が増幅なしで通過することを許す。これは、それらの周波数がＢＷＮ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、関与するＭＰＩＪＤＡデバイス３０２１．．．３０２Ｎの増幅方向において、周波数ｆ１、ｆ２．．．ｆＮの信号を多重化した入力信号は、カスケード３００内で、周波数ｆ１、ｆ２．．．ｆＮの信号のパワーの増幅を受ける。
構成３００は、カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２として簡潔に表現される。したがって、カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２が増幅することができる有効帯域幅は下記のとおりである。
ＢＷ＝｛［ｆ１−ＢＷ１／２からｆ１＋ＢＷ１／２］，［ｆ２−ＢＷ２／２からｆ２＋ＢＷ２／２］，．．．［ｆＮ−ＢＷＮ／２からｆＮ＋ＢＷＮ／２］｝
カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２の増幅帯域幅ＢＷは、構成３００の中のどの単一のＭＰＩＪＤＡの増幅帯域幅よりも大きい。したがって、カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２は、単一のＭＰＩＪＤＡ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。カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２の増幅動作は、多重化周波数ｆ１、ｆ２．．．ｆＮの信号が、（カスケードの最初のＭＰＩＪＤＡのポート１である）カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２のポート１から（カスケードの最後のＭＰＩＪＤＡのポート２である）カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２のポート２まで増幅することを示す。
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ＭＰＩＪＤＡの利得がゼロに近い通過の逆方向動作の一例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全ての周波数の信号をあまり増幅せずに通過させる。カスケード３００、ＭＰＩＪＤＡデバイス３０２１、３０２２．．．３０２ＮおよびカスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２は図３と同じものである。周波数ｆ１は、ＭＰＩＪＤＡ３０２１のＢＷ１内の周波数、ｆ２は、ＭＰＩＪＤＡ３０２２のＢＷ２内の周波数、．．．ｆＮは、ＭＰＩＪＤＡ３０２ＮのＢＷＮ内の周波数である。
この図の逆方向動作では、周波数ｆ１、ｆ２．．．ｆＮの信号がカスケード３００のポート２、すなわちカスケード３００の最後のＭＰＩＪＤＡ（３０２Ｎ）のポート２に入力される。カスケード３００では、ＭＰＩＪＤＡ３０２Ｎが、逆方向（ポート２からポート１の方向）において、帯域内周波数ｆＮの信号および帯域ＢＷＮの外側の周波数ｆＮ−１．．．ｆ１の信号を増幅なしで通過させる。同様に、Ｎ−１番目のＭＰＩＪＤＡは、逆方向において、帯域内周波数ｆＮ−１の信号および帯域幅ＢＷＮ−１の外側の周波数ｆＮ、ｆＮ−２．．．ｆ１の信号を通過させる。
このように動作すると、それぞれのＭＰＩＪＤＡは、逆方向において、それぞれの帯域内および帯域外周波数の信号を増幅なしで通過させる。したがって、逆方向では、多重化入力信号の中のどの周波数ｆ１．．．ｆＮの信号も増幅されずにカスケード３００のポート１に到達する。したがって、この図に示されているとおり、関与するＭＰＩＪＤＡデバイス３０２１．．．３０２Ｎの逆方向において、周波数ｆ１、ｆ２．．．ｆＮを多重化した入力信号は、カスケード３００によって実質的に変化しない（ゼロまたはごくわずかな利得）。
構成３００に従うカスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２は、カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２が増幅なしに通過させることができる下記の有効帯域幅を有する。
ＢＷ＝｛［ｆ１−ＢＷ１／２からｆ１＋ＢＷ１／２］，［ｆ２−ＢＷ２／２からｆ２＋ＢＷ２／２］，．．．［ｆＮ−ＢＷＮ／２からｆＮ＋ＢＷＮ／２］｝
この場合も、カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２の非増幅帯域幅ＢＷは、構成３００の中のどの単一のＭＰＩＪＤＡの非増幅帯域幅よりも大きい。したがって、カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２は、逆方向において、単一のＭＰＩＪＤＡ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利得なしに通過させるように動作可能である。カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２の近ゼロ利得逆方向動作は、（カスケードの最後のＭＰＩＪＤＡのポート２である）カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２のポート２から、（カスケードの最初のＭＰＩＪＤＡのポート１である）カスケーディングＭＰＩＪＤＡ３０２のポート１まで、周波数ｆ１、ｆ２．．．ｆＮの多重化信号が、実質的に変化せずに伝搬することを示す。
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方向性増幅器を使用して、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増幅して伝搬させるためまたは増幅なしで伝搬させるための、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ＭＰＩＪＤＡ３０２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ＭＰＩＪＤＡとして構成する（ブロック５０２）。１つのＭＰＩＪＤＡを別のＭＰＩＪＤＡに直列接続で接続することにより、これらのＭＰＩＪＤＡ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ＭＰＩＪＤＡデバイスは、直列の中の全てのＭＰＩＪＤＡデバイスが、カスケード内の同じ信号流れ方向において、それらのそれぞれの周波数のマイクロ波信号を増幅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ＭＰＩＪＤＡ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ＭＰＩＪＤＡデバイスの帯域幅に対応する周波数を有する入力マイクロ波信号を（図３の場合のように）増幅するように、または（図４の場合のように）ほとんどもしくは全く増幅せずに通過させるように動作する（ブロック５０８）。
次に、図６〜図８は、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選択的に増幅するためまたは増幅なしで選択的に通過させ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ＭＰＩＪＤＡの例示的な構成および選択的増幅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の信号だけを増幅する。ＭＰＩＪＤＡデバイス６０２１、６０２２．．．６０２Ｎはそれぞれ、記号１１０に従うＭＰＩＪＤＡである。ＭＰＩＪＤＡデバイス６０２１〜６０２Ｎは、構成６００の中のカスケードされたＮ個（Ｎ＞１）のＭＰＩＪＤＡデバイスを表す。
ＭＰＩＪＤＡデバイスのカスケーディングは、ＭＰＩＪＤＡ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ＭＰＩＪＤＡを、そのＭＰＩＪＤＡ内の増幅方向が直列内の信号流れ方向と一致するように、またはそのＭＰＩＪＤＡ内の非増幅（近ゼロ利得）方向が直列内の信号流れ方向と一致す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ＭＰＩＪＤＡ（６０２１）のポート１を外部回路に結合することによって形成され、この場合には、ＭＰＩＪＤＡ６０２１内の増幅方向が図６の信号流れ方向と一致する。最初のＭＰＩＪＤＡ（６０２１）のポート２は次のＭＰＩＪＤＡ（６０２２）のポート２に結合され、この場合には、ＭＰＩＪＤＡ６０２２内の増幅方向が図６の信号流れ方向と一致する。ＭＰＩＪＤＡ６０２２のポート１は次のＭＰＩＪＤＡのポート１に結合され、この場合には、この次のＭＰＩＪＤＡ内の増幅方向が図６の信号流れ方向と一致する。以下同様に結合され、最終的にＮ−１番目のＭＰＩＪＤＡのポート２が最後のＭＰＩＪＤＡ（６０２Ｎ）のポート２に結合され、最後のＭＰＩＪＤＡ（６０２Ｎ）のポート１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。ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎ内の逆方向の流れによって、ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎは、ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎの帯域内の周波数を有する信号だけをほとんど増幅せずに通過させる。
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、逆向きに接続された１つだけのＭＰＩＪＤＡ（６０２Ｎ）を有するように示されている（このＭＰＩＪＤＡの増幅方向はカスケード内の信号流れ方向とは反対である）。ある周波数の信号を選択的に増幅するカスケードを構築するために、任意の数のＭＰＩＪＤＡデバイスを、それらのそれぞれの増幅方向を信号流れ方向と整列させて直列に結合し、任意の数のＭＰＩＪＤＡデバイスを、それらのそれぞれの増幅方向を信号流れ方向とは反対にして直列に結合することができる。このように構築されたカスケードは、信号流れ方向と整列した増幅方向を有する対応するＭＰＩＪＤＡデバイスの帯域幅内の周波数を有する信号を増幅し（そのような信号のパワーにかなり大きな利得を適用し）、このように構築されたカスケードは、信号流れ方向とは反対の増幅方向を有するＭＰＩＪＤＡデバイスに対応する周波数を有する信号を通過させる（わずかな増幅で伝搬させる）。
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搬させなければならないのかに応じて、一部のＭＰＩＪＤＡ６０２１〜６０２Ｎが、信号流れ方向（それらのそれぞれの記号の中の曲線矢印の方向。矢印は全て信号流れ方向と同じ方向を向いている）において入力信号の中の１つの周波数の信号を増幅するように、それらの周波数多重化マイクロ波信号の周波数に対応する帯域を有する１つまたは複数のＭＰＩＪＤＡ６０２１〜６０２Ｎが、カスケード６００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周波数を、増幅せずにまたはほとんど増幅せずに通過させなければならないのかに応じて、それらのＭＰＩＪＤＡが、信号流れ方向において近ゼロ利得を提供するように（それらのそれぞれの記号の中の曲線矢印の方向は信号流れ方向とは反対である）、それらの周波数多重化マイクロ波信号の周波数に対応する帯域を有する１つまたは複数のＭＰＩＪＤＡ６０２１〜６０２Ｎが、カスケード６００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ＭＰＩＪＤＡ６０２１〜６０２Ｎ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、ＭＰＩＪＤＡ６０２１は、中心周波数がｆ１である比較的に狭い帯域幅（ＢＷ１）内で動作する。すなわちＢＷ１の半分はｆ１以下であり、ＢＷ１の半分はｆ１よりも大きい。したがって、ＢＷ１は［ｆ１−ＢＷ１／２からｆ１＋ＢＷ１／２］である。同様に、ＭＰＩＪＤＡ６０２２は、中心周波数ｆ２および［ｆ２−ＢＷ２／２からｆ２＋ＢＷ２／２］のＢＷ２を有する。セットの中のＭＰＩＪＤＡデバイスは同様の方式で規定され、（Ｎ−１）番目のＭＰＩＪＤＡは、中心周波数ｆＮ−１および［ｆＮ−１−ＢＷＮ−１／２からｆＮ−１＋ＢＷＮ−１／２］のＢＷＮ−１を有し、ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎは、中心周波数ｆＮおよび［ｆＮ−ＢＷＮ／２からｆＮ＋ＢＷＮ／２］のＢＷＮを有する。ＢＷ１．．．ＢＷＮ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ＭＰＩＪＤＡは、そのＭＰＩＪＤＡがそれに合わせて調整された周波数帯域幅内の信号だけを増幅する。言い換えると、ＭＰＩＪＤＡは、（そのＭＰＩＪＤＡのポート１からポート２への方向に流れる）その動作帯域幅内に含まれる周波数の信号を増幅する。ＭＰＩＪＤＡは、そのＭＰＩＪＤＡの動作帯域幅の外側の周波数の信号を、両方向に、実質的にゼロ利得方式で通過させる。
例えば、ＭＰＩＪＤＡ６０２２は、ＭＰＩＪＤＡ６０２２のポート１からＭＰＩＪＤＡ６０２２のポート２に信号が流れる場合、ＢＷ２内の周波数の信号だけを増幅し、ＢＷ１、ＢＷ３、ＢＷ４．．．ＢＷＮ−１、ＢＷＮ内の周波数の信号が実質的にゼロ利得方式で増幅方向に通過することは許す。非増幅方向（ポート２からポート１の方向）において、ＭＰＩＪＤＡ６０２２は、ＢＷ２内の周波数の信号だけでなく、ＢＷ１、ＢＷ３、ＢＷ４．．．ＢＷＮ−１、ＢＷＮ内の周波数の信号も、実質的にゼロ利得方式で通過することを許す。構成６００の中のそれぞれのＭＰＩＪＤＡ６０２１．．．６０２Ｎ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この方式で動作する。
構成６００において、ＭＰＩＪＤＡ６０２１は、増幅方向で周波数ｆ１の信号を増幅する。これは、ＭＰＩＪＤＡ６０２１がＢＷ１内の周波数の信号を増幅し、ｆ１がＢＷ１内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＤＡ６０２１は、周波数ｆ２．．．ｆＮの信号がゼロ利得で通過することを許す。これは、それらの周波数がＢＷ１の外側の周波数であるためである。カスケード６００の中のＭＰＩＪＤＡデバイス６０２２．．．６０２Ｎ−１が増幅方向を向くように構成されていると仮定すると、ｆ１．．．ｆｉ．．．ｆＮ−１を含む多重化信号がＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎに到達する。しかしながら、ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎは、カスケード６００の中で、非増幅方向を向くように構成されており（矢印６０４の方向が矢印６０６の方向とは逆である）、したがって、ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎは、周波数ｆＮの信号に近ゼロ利得を適用する。これは、ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎが、ポート２からポート１の方向のＢＷＮ内の周波数の信号に対して近ゼロ利得を有し、ｆＮがＢＷＮ内の周波数であるためである。ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎは、周波数ｆ１、ｆｉ．．．ｆＮ−１の信号がゼロ利得で通過することを許す。これは、それらの周波数がＢＷＮ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ｆ１．．．ｆＮの信号を多重化した入力信号は、選択された周波数ｆ１．．．ｆＮ−１についてはカスケード６００内で増幅され、周波数ｆＮの信号は、入力信号から増幅されることなく選択的に通過する。
一般化すると、（カスケードのポート１の）入力信号が、周波数ｆＡ、ｆＢ、ｆＣ、ｆＤ、ｆＥ、ｆＦ、ｆＧおよびｆＨの信号を有し、（ｆＡの信号を増幅する）ＭＰＩＪＤＡ Ａ、（ｆＣの信号を増幅する）Ｃ、（ｆＥの信号を増幅する）Ｅ、（ｆＧの信号を増幅する）Ｇが、カスケードの中で、信号流れ方向に増幅するような向きに配置されており、（ｆＢの信号を増幅する）ＭＰＩＪＤＡ Ｂ、（ｆＤの信号を増幅する）Ｄ，（ｆＦの信号を増幅する）Ｆ、（ｆＨの信号を増幅する）Ｈが、カスケードの中で、信号流れ方向に、増幅なしでまたはわずかな増幅で信号を通過させるような向きに配置されている場合、（カスケードのポート２の）出力信号は、ｆＡ、ｆＣ、ｆＥおよびｆＧの増幅信号を含み、ｆＢ、ｆＤ、ｆＦおよびｆＨのほとんど増幅されていない信号を含む。
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増幅することができる有効帯域幅は下記のとおりである。
ＢＷ＝｛［ｆ１−ＢＷ１／２からｆ１＋ＢＷ１／２］，［ｆ２−ＢＷ２／２からｆ２＋ＢＷ２／２］，．．．［ｆＮ−ＢＷＮ／２からｆＮ＋ＢＷＮ／２］｝
カスケード６００の近ゼロ利得通過帯域幅または増幅帯域幅ＢＷは、構成６００の中のどの単一のＭＰＩＪＤＡの近ゼロ利得通過帯域幅または増幅帯域幅よりも大きい。したがって、カスケード６００は、単一のＭＰＩＪＤＡ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の中のある周波数の信号を選択的に増幅するように動作可能である。
図７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ＭＰＩＪＤＡの例示的な選択的増幅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全てでない一部の周波数の信号を選択的に増幅する。カスケード６００およびＭＰＩＪＤＡデバイス６０２１、６０２２．．．６０２Ｎは図６と同じものである。周波数ｆ１は、ＭＰＩＪＤＡ６０２１のＢＷ１内の周波数、ｆ２は、ＭＰＩＪＤＡ６０２２のＢＷ２内の周波数、．．．ｆＮ−１は、（Ｎ−１）番目のＭＰＩＪＤＡのＢＷＮ−１内の周波数、ｆＮは、ＭＰＩＪＤＡ６０２ＮのＢＷＮ内の周波数である。
この図の選択的増幅動作では、周波数ｆ１、ｆ２．．．ｆＮの信号が、示された信号流れ方向に、カスケード６００のポート２、すなわちカスケード６００の最後のＭＰＩＪＤＡ（６０２Ｎ）のポート１に入力される。カスケード６００のこの動作では、ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎが、周波数ｆＮの信号を増幅し、帯域幅ＢＷＮの外側の周波数ｆＮ−１．．．ｆ１の信号が増幅方向に通過することを許す。これは、ＭＰＩＪＤＡ６０２ＮがＢＷＮ内の周波数の信号だけを増幅し、ｆＮがＢＷＮ内の周波数であるためである。（カスケード６００の中のそれぞれのＭＰＩＪＤＡのそれぞれの周波数を表す矢印のサイズを比べられたい。）このように動作すると、ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎは、多重化入力マイクロ波信号の中の周波数ｆＮの信号だけを事実上選択的に増幅する。Ｎ−１番目のＭＰＩＪＤＡは、逆方向において、帯域内周波数ｆＮ−１の信号および帯域幅ＢＷＮ−１の外側の周波数ｆＮ−２．．．ｆ１の信号を実質的にゼロ利得で通過させる。ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎはすでに周波数ｆＮの信号を増幅しており、帯域外周波数ｆＮの増幅信号も、ＭＰＩＪＤＡ６０２Ｎ−１をゼロ利得で通過する。
このように動作すると、カスケード６００内のＭＰＩＪＤＡの向きに応じて、それぞれのＭＰＩＪＤＡは、そのＭＰＩＪＤＡの帯域幅内の周波数の信号を増幅するか、またはほとんど増幅せずに通過させる。ＭＰＩＪＤＡ６０２２は反対の信号流れ方向に増幅を実施するため、ＭＰＩＪＤＡ６０２２は、周波数ｆ２の信号をほとんど増幅せずに通過させる。ＭＰＩＪＤＡ６０２２はｆ１の信号を増幅なしで通過させる。これは、ｆ１がＢＷ２の外側の周波数であるためである。ＭＰＩＪＤＡ６０２１は、逆方向であるため、周波数ｆ１の信号を増幅なしで通過させ、ｆ２の信号を伝搬させる。これは、ｆ２がＢＷ１の外側の周波数であるためである。したがって、カスケード６００のポート１、すなわちＭＰＩＪＤＡ６０２１のポート１の出力信号は、周波数ｆ１．．．ｆＮ−１の増幅されていない信号、および多重化入力信号ｆ１．．．ｆＮの中から選択的に増幅させた周波数ｆＮの信号を含む。したがって、この図に示されているように、カスケード６００によって、周波数ｆ１．．．ｆＮを多重化した入力信号が選択的に増幅される（全てでない一部の周波数の信号だけが増幅される）。
カスケード６００は、逆方向においてカスケーディングＭＰＩＪＤＡ６０２が信号を選択的に増幅することができる下記の有効帯域幅を有する。
ＢＷ＝｛［ｆ１−ＢＷ１／２からｆ１＋ＢＷ１／２］，［ｆ２−ＢＷ２／２からｆ２＋ＢＷ２／２］，．．．［ｆＮ−ＢＷＮ／２からｆＮ＋ＢＷＮ／２］｝
この場合も、逆方向におけるカスケード６００の選択的増幅帯域幅ＢＷは、構成６００の中のどの単一のＭＰＩＪＤＡの増幅帯域幅よりも大きい。したがって、カスケード６００は、単一のＭＰＩＪＤＡ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の中の一部の周波数の信号を選択的に増幅させるように動作可能である。
この場合も、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、カスケード内の信号流れ方向と整列した伝搬方向を有するように接続された１つだけのＭＰＩＪＤＡ（６０２Ｎ）を有するように示されている。ある周波数の信号を選択的に増幅させるカスケードを構築するために、任意の数のＭＰＩＪＤＡデバイスを、それらのそれぞれの増幅方向を信号流れ方向と整列させて直列に結合し、任意の数のＭＰＩＪＤＡデバイスを、それらのそれぞれの増幅方向を信号流れ方向とは反対にして直列に結合することができる。このように構築されたカスケードは、信号流れ方向とは反対の伝搬方向を有するＭＰＩＪＤＡデバイスに対応する周波数の信号を近ゼロ利得で通過させ、信号流れ方向と整列した増幅方向を有するＭＰＩＪＤＡデバイスに対応する周波数の信号を増幅する。
一般化すると、（カスケードのポート２の）入力信号が、周波数ｆＡ、ｆＢ、ｆＣ、ｆＤ、ｆＥ、ｆＦ、ｆＧおよびｆＨの信号を有し、（ｆＡの信号を増幅する）ＭＰＩＪＤＡ Ａ、（ｆＣの信号を増幅する）Ｃ、（ｆＥの信号を増幅する）Ｅ、（ｆＧの信号を増幅する）Ｇが、カスケードの中で、信号流れ方向に増幅するような向きに配置されており、（ｆＢの信号を増幅する）ＭＰＩＪＤＡ Ｂ、（ｆＤの信号を増幅する）Ｄ，（ｆＦの信号を増幅する）Ｆ、（ｆＨの信号を増幅する）Ｈが、カスケードの中で、信号流れ方向に近ゼロ利得で信号を通過させるような向きに配置されている場合、（カスケードのポート１の）出力信号は、周波数ｆＡ、ｆＣ、ｆＥおよびｆＧの増幅信号を含み、ｆＢ、ｆＤ、ｆＦおよびｆＨの信号はほとんど増幅されずに通過する。
図８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方向性増幅器を使用して、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近ゼロ利得で伝搬させるためまたは増幅するための、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８００は、図６および図７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ＭＰＩＪＤＡとして構成する（ブロック８０２）。１つのＭＰＩＪＤＡを別のＭＰＩＪＤＡに直列接続で接続することにより、これらのＭＰＩＪＤＡデバイスをカスケードとして接続する（ブロック８０４）。この直列接続の中のＭＰＩＪＤＡデバイスは、直列の中の少なくとも一部のＭＰＩＪＤＡデバイス（逆向きのＭＰＩＪＤＡデバイス）が、カスケード内の信号流れ方向において、それらのそれぞれの周波数のマイクロ波信号を近ゼロ利得で通過させ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ＭＰＩＪＤＡ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８０６）。
このカスケードは、直列の中の逆向きのいずれかのＭＰＩＪＤＡ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）選択的に増幅するように、または（図７の場合のように）近ゼロ利得で選択的に伝搬させるように動作する（ブロック８０８）。
ＭＰＩＪＤＡ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. カスケーディング・マイクロ波方向性増幅器（カスケード）であって、
    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、
    前記第１のジョセフソン・デバイスが、前記直列結合内の第１の信号流れ方向において、周波数多重化マイクロ波信号（多重化信号）の中の第１の周波数の信号を増幅し、前記多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号を増幅なしで伝搬させ、
    前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記直列内の前記第１の信号流れ方向において、前記ｎ番目の周波数の前記信号を増幅し、前記多重化信号の中の前記第１の周波数の前記信号を増幅なしで伝搬させる、
    前記直列結合と
    を備える、カスケーディング・マイクロ波方向性増幅器（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（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、前記第１の信号流れ方向において、前記多重化信号の中の（ｎ−１）番目の周波数の信号を増幅する、
    請求項１に記載のカスケード。
  3. 前記直列結合により、前記第１のジョセフソン・デバイスが、前記直列結合内の前記第１の信号流れ方向において、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増幅なしで伝搬させ、前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記直列内の前記第１の信号流れ方向において、前記第１の周波数の前記信号を増幅なしで伝搬させる、
    請求項１に記載のカスケード。
  4. 前記直列結合により、前記第１のジョセフソン・デバイスおよび前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記直列結合内の第２の信号流れ方向において、前記多重化信号の中の全ての周波数の信号を増幅なしで伝搬させ、前記第２の信号流れ方向が、前記第１の信号流れ方向とは反対であり、前記第１の信号流れ方向が、前記第１のジョセフソン・デバイスおよび前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスの増幅方向である、
    請求項１に記載のカスケード。
  5. 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。
  6. 前記カスケードの全体の増幅帯域幅が、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５に記載のカスケード。
  7. 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ＭＰＩＪＤＡであり、前記ＭＰＩＪＤＡが、
    第１の非縮退マイクロ波パラメトリック増幅器デバイス（第１のパラメトリック増幅器）と、
    第２の非縮退マイクロ波パラメトリック増幅器デバイス（第２のパラメトリック増幅器）と、
    前記第１のパラメトリック増幅器の入力ポートおよび前記第２のパラメトリック増幅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のパラメトリック増幅器の前記入力ポートおよび前記第２のパラメトリック増幅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、
    前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートの間で伝達される第１の周波数の前記信号が、前記第１のパラメトリック増幅器および前記第２のパラメトリック増幅器内における前記第１のＩ／Ｏポートから前記第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向に伝搬する間は伝送され、前記第１のパラメトリック増幅器および前記第２のパラメトリック増幅器内における前記第２のＩ／Ｏポートから前記第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝搬する間は実質的に増幅されず、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。
  8. 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のパラメトリック増幅器に注入する第１のマイクロ波ポンプであり、前記第１のパラメトリック増幅器を低パワー利得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のパラメトリック増幅器に注入する第２のマイクロ波ポンプであり、前記第２のパラメトリック増幅器を前記低パワー利得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７に記載のカスケード。
  9. 前記第１のパラメトリック増幅器および前記第２のパラメトリック増幅器がそれぞれ非縮退３波混合パラメトリック増幅器である、請求項７に記載のカスケード。
  10. 前記第１のパラメトリック増幅器および前記第２のパラメトリック増幅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のパラメトリック増幅器と前記第２のパラメトリック増幅器が公称で全く同じものである、請求項７に記載のカスケード。
  11. カスケーディング・マイクロ波方向性増幅器（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、
    前記第１のジョセフソン・デバイスが、前記直列結合内の第１の信号流れ方向において、周波数多重化マイクロ波信号（多重化信号）の中の第１の周波数の信号を増幅し、前記多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号を増幅なしで伝搬させ、
    前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記直列内の前記第１の信号流れ方向において、前記ｎ番目の周波数の前記信号を増幅し、前記多重化信号の中の前記第１の周波数の前記信号を増幅なしで伝搬させる、
    前記形成することと
    を含む、方法。
  12. 超電導体製造システムであって、カスケーディング・マイクロ波方向性増幅器（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、
    前記第１のジョセフソン・デバイスが、前記直列結合内の第１の信号流れ方向において、周波数多重化マイクロ波信号（多重化信号）の中の第１の周波数の信号を増幅し、前記多重化信号の中のｎ番目の周波数の信号を増幅なしで伝搬させ、
    前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記直列内の前記第１の信号流れ方向において、前記ｎ番目の周波数の前記信号を増幅し、前記多重化信号の中の前記第１の周波数の前記信号を増幅なしで伝搬させる、
    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。
  13. 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（ｎ−１）番目のジョセフソン・デバイスが、前記第１の信号流れ方向において、前記多重化信号の中の（ｎ−１）番目の周波数の信号を増幅する、
    請求項１２に記載の超電導体製造システム。
  14. 前記直列結合により、前記第１のジョセフソン・デバイスが、前記直列結合内の前記第１の信号流れ方向において、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増幅なしで伝搬させ、前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記直列内の前記第１の信号流れ方向において、前記第１の周波数の前記信号を増幅なしで伝搬させる、
    請求項１２に記載の超電導体製造システム。
  15. 前記直列結合により、前記第１のジョセフソン・デバイスおよび前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスが、前記直列結合内の第２の信号流れ方向において、前記多重化信号の中の全ての周波数の信号を増幅なしで伝搬させ、前記第２の信号流れ方向が、前記第１の信号流れ方向とは反対であり、前記第１の信号流れ方向が、前記第１のジョセフソン・デバイスおよび前記ｎ番目のジョセフソン・デバイスの増幅方向である、
    請求項１２に記載の超電導体製造システム。
  16. 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１２に記載の超電導体製造システム。
  17. 前記カスケードの全体の増幅帯域幅が、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１６に記載の超電導体製造システム。
  18. 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ＭＰＩＪＤＡであり、前記ＭＰＩＪＤＡが、
    第１の非縮退マイクロ波パラメトリック増幅器デバイス（第１のパラメトリック増幅器）と、
    第２の非縮退マイクロ波パラメトリック増幅器デバイス（第２のパラメトリック増幅器）と、
    前記第１のパラメトリック増幅器の入力ポートおよび前記第２のパラメトリック増幅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のパラメトリック増幅器の前記入力ポートおよび前記第２のパラメトリック増幅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、
    前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートの間で伝達される第１の周波数の前記信号が、前記第１のパラメトリック増幅器および前記第２のパラメトリック増幅器内における前記第１のＩ／Ｏポートから前記第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向に伝搬する間は伝送され、前記第１のパラメトリック増幅器および前記第２のパラメトリック増幅器内における前記第２のＩ／Ｏポートから前記第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝搬する間は実質的に増幅されず、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１２に記載の超電導体製造システム。
  19. 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のパラメトリック増幅器に注入する第１のマイクロ波ポンプであり、前記第１のパラメトリック増幅器を低パワー利得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のパラメトリック増幅器に注入する第２のマイクロ波ポンプであり、前記第２のパラメトリック増幅器を前記低パワー利得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１８に記載の超電導体製造システム。
  20. 前記第１のパラメトリック増幅器および前記第２のパラメトリック増幅器がそれぞれ非縮退３波混合パラメトリック増幅器である、請求項１８に記載の超電導体製造システム。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021505071A (ja) * 2017-12-01 2021-02-15 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 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分離器を使用した周波数多重化マイクロ波信号の分離

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11418162B2 (en) 2020-01-22 2022-08-16 International Business Machines Corporation Band-pass Josephson traveling wave parametric amplifier
CN116015219A (zh) * 2023-01-17 2023-04-25 清华大学 一种约瑟夫森参量放大器

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005295428A (ja) * 2004-04-05 2005-10-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 超伝導バンドパスフィルタ回路
US20160112031A1 (en) * 2014-08-07 2016-04-21 International Business Machines Corporation Tunable superconducting notch filter
WO2016138406A1 (en) * 2015-02-27 2016-09-01 Yale University Josephson junction-based circulators and related systems and methods
JP2016541146A (ja) * 2013-10-15 2016-12-28 イェール ユニバーシティーＹａｌｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 低雑音ジョセフソン接合系方向性増幅器
US20170062107A1 (en) * 2014-12-09 2017-03-02 Northrop Grumman Systems Corporation Superconducting switch system
WO2017082983A2 (en) * 2015-09-04 2017-05-18 Northrop Grumman Systems Corporation System and method for qubit readout
WO2017149319A1 (en) * 2016-03-03 2017-09-08 Oxford University Innovation Limited Four wave mixing transmission line

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4012646A (en) * 1975-06-30 1977-03-15 International Business Machines Corporation Powering scheme for josephson logic circuits which eliminates disturb signals
US4162323A (en) 1977-04-18 1979-07-24 Merck & Co., Inc. Antibiotic N-acetyl-dehydro-thienamycin
FI109736B (fi) 1993-11-01 2002-09-30 Nokia Corp Vastaanottimen taajuusalueen ja kaistanleveyden vaihto peilitaajuutta vaimentavan sekoittimen avulla
US5936458A (en) * 1997-07-21 1999-08-10 Hypres, Inc. Superconducting analog amplifier circuits
GB0124841D0 (en) 2001-10-16 2001-12-05 Secretary Trade Ind Brit Communication system
KR100604396B1 (ko) 2005-05-06 2006-07-25 진주산업대학교 산학협력단 무선주파수 누설성분이 억제된 마이크로파 공액 위상변위기
CN101059556A (zh) * 2007-05-29 2007-10-24 南京大学 一种超导量子比特测量系统
JP2009194646A (ja) 2008-02-14 2009-08-27 Nec Corp マイクロ波スイッチ回路
US20130214979A1 (en) 2012-02-17 2013-08-22 Emily B. McMilin Electronic Device Antennas with Filter and Tuning Circuitry
US9130508B1 (en) 2013-06-28 2015-09-08 Hrl Laboratories, Llc Shunt resistor and capacitor termination for broadband resistive mixer
US9548742B1 (en) 2015-06-29 2017-01-17 International Business Machines Corporation Driving the common-mode of a josephson parametric converter using a three-port power divider
US9843312B2 (en) 2015-09-30 2017-12-12 International Business Machines Corporation Multimode Josephson parametric converter: coupling Josephson ring modulator to metamaterial
US9787278B1 (en) 2016-09-26 2017-10-10 International Business Machines Corporation Lossless microwave switch based on tunable filters for quantum information processing
US9735776B1 (en) 2016-09-26 2017-08-15 International Business Machines Corporation Scalable qubit drive and readout

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005295428A (ja) * 2004-04-05 2005-10-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 超伝導バンドパスフィルタ回路
JP2016541146A (ja) * 2013-10-15 2016-12-28 イェール ユニバーシティーＹａｌｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 低雑音ジョセフソン接合系方向性増幅器
US20160112031A1 (en) * 2014-08-07 2016-04-21 International Business Machines Corporation Tunable superconducting notch filter
US20170062107A1 (en) * 2014-12-09 2017-03-02 Northrop Grumman Systems Corporation Superconducting switch system
WO2016138406A1 (en) * 2015-02-27 2016-09-01 Yale University Josephson junction-based circulators and related systems and methods
WO2017082983A2 (en) * 2015-09-04 2017-05-18 Northrop Grumman Systems Corporation System and method for qubit readout
WO2017149319A1 (en) * 2016-03-03 2017-09-08 Oxford University Innovation Limited Four wave mixing transmission line

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021505071A (ja) * 2017-12-01 2021-02-15 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 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分離器を使用した周波数多重化マイクロ波信号の分離

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