JP2021511659A - 負荷補償された調整可能な結合 - Google Patents

Abstract

負荷補償された調整可能なカプラは、クロスバースイッチとシミュレートされた負荷またはバラストとを活用して、２つの量子オブジェクト間の調整可能な結合を提供し、それらの共振周波数を変えずに選択的に結合または分離することができる。【選択図】図１Ａ

Description

政府の権益
本発明は政府契約の下で行われた。したがって、米国政府は、その契約に明記されている本発明に対する権利を有する。

関連出願
本出願は、２０１８年１月１１日に提出された米国特許出願第１５／８６８４１６号の優先権を主張し、その全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して超伝導回路に関し、具体的には、量子オブジェクトの負荷補償された調整可能な結合に関する。

従来のマイクロ波機械式、電気機械式、および電子式スイッチは、互換性のない製造プロセスと高電力消費のため、超伝導電子回路とのオンチップ統合および極低温動作と互換性がない場合がある。同様に、電圧可変コンデンサ（すなわち、バラクタ）、機械的ドライバ、または強誘電体およびフェライト材料などのいずれかのアクティブコンポーネントを使用することによって一般に実現される調整可能なフィルタは、単一磁束量子（ＳＦＱ）技術で生成できる信号レベルによって簡単に制御できず、そして多くは極低温では動作し得ない。超伝導マイクロ波フィルタは、固定式および調整可能の両方で、高温超伝導体および低温超伝導体の両方を使用して以前に実現されているが、スイッチングアプリケーションでのそれらの使用は、高いリターンロス、限られた使用可能な帯域幅、および不十分な帯域外のオフ状態のアイソレーションに悩まされている。

半導体クロスバースイッチは、デジタル信号とマイクロ波信号との両方で、スイッチマトリックス、トランシーバ、試験および通信システムなどの再構成可能な信号ルーティングアプリケーションで使用されている。クロスバースイッチは４ポートデバイスであり、第１の設定（「バーの状態」と呼ばれる）では、第１の入力ポートが第１の出力ポートに接続され、第２の入力ポートが第２の出力ポートに接続され、第２の設定（「クロス状態」と呼ばれる）では、第１の入力ポートが第２の出力ポートに接続され、第２の入力ポートが第１の出力ポートに接続される。しかしながら、従来のクロスバースイッチは概して、極低温の超低電力消費アプリケーションと互換性がなく、概して、ＳＦＱ制御技術と互換性のない数ボルトのオーダの電圧制御信号を必要とする。

本明細書で説明する負荷補償された調整可能なカプラは、クロスバースイッチと、ここではバラストとも呼ばれるシミュレートされた負荷とを活用して、２つの量子オブジェクト間の調整可能な結合を、それらの共振周波数を変更せずに提供する。

一例では、超伝導負荷補償された調整可能なカプラシステムが提供されている。本システムは、超伝導クロスバースイッチの第１のポートに接続された第１の量子オブジェクト、スイッチの第２のポートに接続された第１の量子オブジェクトの負荷特性を近似する第１のダミー負荷、スイッチの第３のポートに接続された第２の量子オブジェクト、およびスイッチの第４のポートに接続された第２の量子オブジェクトの負荷特性を近似する第２のダミー負荷を含む。第１および第２の量子オブジェクトは、スイッチのクロス状態で結合されている。スイッチのバー状態では、第１および第２の量子オブジェクトは切り離され、第１の量子オブジェクトは第２のダミー負荷に結合され、第２の量子オブジェクトは第１のダミー負荷に結合される。

別の例は、２つの量子オブジェクトを結合および負荷補償して切り離す方法を提供する。第１の量子オブジェクトおよび第２の量子オブジェクトは、結合されている。２つの量子オブジェクトを切り離すと同時に、第１の量子オブジェクトは、第２の量子オブジェクトであるかのように第１の量子オブジェクトから見えるように設計された第１のシミュレートされた負荷に結合され、第２の量子オブジェクトは、第１の量子オブジェクトであるかのように第２の量子オブジェクトから見えるように設計された第２のシミュレートされた負荷に結合される。例えば、第１のシミュレートされた負荷は、第１の量子オブジェクトが第２の量子オブジェクトに結合されることから経験するであろうものと同じ誘導負荷を第１の量子オブジェクトに提示するサイズのインダクタであることができ、第２のシミュレートされた負荷は、第２の量子オブジェクトが第１の量子オブジェクトに結合されることから経験するであろうものと同じ誘導負荷を第２の量子オブジェクトに提示するサイズのインダクタであることができる。

さらに別の例では、超伝導負荷補償された調整可能なカプラシステムは、各々がそれぞれの動作周波数を有する第１および第２の量子オブジェクトを結合および分離することができる。ジョセフソン接合ブリッジは、超伝導クロスバースイッチとして構成されている。ブリッジは、４つのジョセフソン接合で作成されている。第１のジョセフソン接合は、第１の量子オブジェクトと第２の量子オブジェクトの誘導性負荷特性を近似する第２のバラストの第１の端部との間に接続されている。第２のジョセフソン接合は、第２のバラストの第１の端部と第１の量子オブジェクトの誘導性負荷特性を近似する第１のバラストの第１の端部との間に接続されている。第３のジョセフソン接合は、第１の量子オブジェクトと第２の量子オブジェクトとの間に接続されている。第４のジョセフソン接合は、第２の量子オブジェクトと第１のバラストの第１の端部の間に接続されている。１つ以上の磁束バイアスラインが、一方では、高インダクタンス状態を有する第１および第４のジョセフソン接合と低インダクタンス状態を有する第２および第３のジョセフソン接合との間でジョセフソン接合のインダクタンスを切り替えるために構成されており、ここで第１および第２の量子オブジェクトは互いに結合さており、そして、他方では、第１および第４のジョセフソン接合は低インダクタンス状態を有し、第２および第３のジョセフソン接合は高インダクタンス状態を有し、ここで第１の量子オブジェクトは第２のバラストに結合され、第２の量子オブジェクトは第１のバラストに結合されている。

例示的な超伝導負荷補償された調整可能なカプラのブロック図である。 図１Ａの例示的な超伝導負荷補償された調整可能なカプラの例の活性化状態を図解する。 図１Ａの例示的な超伝導負荷補償された調整可能なカプラの非活性化状態を図解する。 クロスバースイッチ回路および関連するバイアス要素の概略図を図解する。 負荷補償された調整可能なカプラの概略図を図解する。 図３の回路のＳパラメータシミュレーションのグラフである。 ２つの量子オブジェクトを結合および負荷補償して切り離す例示的な方法を示すフローチャートである。

本開示は、一般に超伝導回路に関し、より詳細には、２つの量子オブジェクト間の負荷補償された調整可能なカプラに関する。超伝導負荷補償された調整可能なカプラは、スイッチコントローラおよびバイアス要素を含むスイッチ制御システムを備えた超伝導クロスバースイッチを含むことができる。超伝導クロスバースイッチは、クロスポイントスイッチまたはトランスファースイッチとしても知られ、バイアス要素およびスイッチコントローラを介して磁束によって制御される可変インダクタンス結合要素を使用して、スイッチの異なるセクションを相互に結合および分離し、バー状態とクロス状態との間で切り替えることができる。超伝導クロスバースイッチは、極低温で動作し、実質的に電力を消費せず、単一磁束量子（ＳＦＱ）互換信号で制御することができる。スイッチは、２つの量子オブジェクトの各々を相互に、またはターゲット量子オブジェクトの負荷をシミュレートすることができるバラストに接続することができる。それに応じて、負荷補償された調整可能なカプラは、両方のオブジェクトに可変の負荷を提示し、望ましくないことにそれらの動作周波数を変更する可能性がある、オブジェクト間で調整可能な誘導要素を使用することに関連付けられた制限を克服する。

図１Ａは、負荷補償された調整可能なカプラシステム１００の例を図解する。カプラが作動されると、負荷補償された調整可能なカプラシステム１００は、ＳＱＵＩＤブリッジ回路構成１０４を備えたフィルタネットワーク１０２を使用して、本明細書ではソース量子オブジェクトと呼ばれることもある第１の量子オブジェクト１１０を、本明細書ではターゲット量子オブジェクトと呼ばれることもある第２の量子オブジェクト１１２に接続することができる。第１の量子オブジェクト１１０は、第１のポートまたは端子ＩＮ_１を介してフィルタネットワーク１０２に接続することができる。第２の量子オブジェクト１１２は、第３のポートまたは端子ＯＵＴ_１を介してフィルタネットワーク１０２に接続することができる。この状態では、フィルタネットワーク１０２は、第２のポートまたは端子ＩＮ_２および第４のポートまたは端子ＯＵＴ_２を介して、第１のダミー負荷１１４を第２のダミー負荷１１６に接続することもできる。図１Ｂに図解するように、調整可能なカプラシステム１００のこの活性化されたモードは、フィルタネットワーク１０２の「バー」モードを構成し、第１の信号を第１のポートＩＮ_１から第３のポートＯＵＴ_１にルーティングし、第２の信号を第２のポートＩＮ_２から第４のポートＯＵＴ_２にルーティングする。

カプラが非活性化されると、負荷補償された調整可能なカプラシステム１００は、フィルタネットワーク１０２を使用して、第１の量子オブジェクト１１０を、第２の量子オブジェクト１１２の１つ以上の特性を近似するように構成された第２のダミー負荷１１６に接続することができる。同様に、非活性化状態では、フィルタネットワーク１０２は、第２の量子オブジェクト１１２を、第１の量子オブジェクト１１０の１つ以上の特性を近似するように構成された第１のダミー負荷１１４に接続することができる。図１Ｃに図解するように、調整可能なカプラシステム１００のこの非活性化されたモードは、フィルタネットワーク１０２の「クロス」モードを構成し、第１の信号を第１のポートＩＮ_１から第４のポートＯＵＴ_２にルーティングし、第２の信号を第２のポートＩＮ_２から第３のポートＯＵＴ_１にルーティングする。

ダミー負荷１１４、１１６は、例えば、各ダミー負荷がそれぞれ非結合状態で接続する量子オブジェクトの特性エネルギーを維持するようなサイズのインダクタンスである。結果として、接続性に関係なく、各量子オブジェクトの負荷は、量子オブジェクトの観点からは変化しない。ダミー負荷はまた、シミュレートされた負荷またはバラストと呼ぶこともできる。

図１Ａに図解された上記の構成は、システム１００のほんの一例を表す。別の例では、第２の量子オブジェクト１１２および第２のダミー負荷１１６の位置（すなわち、フィルタネットワーク１０２への接続）は、活性化または結合状態がクロス状態（図１Ｃに示すように）であり、非活性化または非結合状態がバー状態（図１Ｂに示すように）であるように交換することができる。同様に、第１の量子オブジェクト１１０および第１のダミー負荷１１４の位置は交換することができる。構成が何であれ、より大きな制御システムおよびスイッチコントローラ１０８を、それに応じて適合させることができる。

このようにして、フィルタネットワーク１０２は、各それぞれの入力ポートから所望のセクションを通ってそれぞれの選択された出力ポートに通過する信号の所望の部分（例えば、特定の周波数帯域幅）に対応することができるバンドパスフィルタリングされた出力信号を提供することができる超伝導クロスバースイッチを構成することができる。加えて、信号の不要な部分をブロックすることができ、それにより、信号の不要な部分がフィルタネットワークを通過していずれかの出力ポートに到達することはない。

負荷補償された調整可能なカプラシステム１００は、量子オブジェクト（例えば、キュービットまたは共振器）間の結合および分離を提供するために、様々な超伝導回路システムのいずれかに実装することができる。結合されたオブジェクト間の信号は、例えば、キュービットのゲートまたは読み出し動作を実施するなど、量子回路の制御方式で実装されるマイクロ波信号とすることができる。別の例として、信号は、信号パルス、通信信号、または制御コマンド信号とすることができる。負荷補償された調整可能なカプラシステム１００は、極低温で動作することができ、実質的に電力を消費せず、単一磁束量子（ＳＦＱ）互換信号で制御することができる。

負荷補償された調整可能なカプラシステム１００は、１つ以上の第１の入力共振器または極としてのフィルタネットワーク１０２の第１の入力部分、１つ以上の第２の入力共振器または極としてのフィルタネットワーク１０２の第２の入力部分、１つ以上の第１の出力共振器または極としてのフィルタネットワークの第１の出力部分、および１つ以上の第２の出力共振器または極としてのフィルタネットワークの第２の出力部分を構成するための１つ以上のインピーダンスコンポーネント（例えば、コンデンサ、インダクタ）を含むことができるマイクロ波バンドパスフィルタネットワークから形成される超伝導クロスバースイッチを含むことができる。負荷補償された調整可能なカプラシステム１００は、スイッチコントローラ１０８およびバイアス要素１０６を含むことができる。フィルタネットワーク１０２は、バイアス要素１０６およびスイッチコントローラ１０８を介して磁束によって制御される可変インダクタンス結合要素を使用して、バー状態（図１Ａに示すように構成した場合は活性化状態または結合状態に対応）またはクロス状態（図１Ａに示すように構成した場合は非活性化状態または非結合状態に対応）のいずれかの選択されたモードに基づいて、各入力の第１および第２の入力共振器を各第１および第２の出力共振器のそれぞれ１つに結合および分離することができる。

前述の可変インダクタンス結合要素は、ジョセフソン接合であることができる。ジョセフソン接合のインダクタンスは、一方では、異なるフィルタセクション（例えば、共振器または極）を互いに結合し、これらの結合されたセクションを介して信号を通過させるための低インダクタンス状態と、他方では、異なるフィルタセクションを互いに分離し、信号が分離されたセクションを通過するのをブロックする高インダクタンス状態との間で切り替えることができる。ジョセフソン接合を低インダクタンス状態と高インダクタンス状態の間で構成および制御して、超伝導クロスバースイッチをバー状態とクロス状態との間で切り替え、クロスバースイッチを通過する信号のルートを制御することができる。ジョセフソン接合は、ＳＱＵＩＤブリッジ回路構成１０４内のＲＦ ＳＱＵＩＤまたはＳＱＵＩＤの要素として構成することができる。

ＳＱＵＩＤブリッジ回路構成１０４は、第１のジョセフソン接合の反対側に結合された第１のインダクタおよび第３のインダクタを含むことができる第１のＳＱＵＩＤを含むことができ、第１のインダクタは、フィルタ回路の第１の極または共振器の少なくとも一部を形成し、第３のインダクタは、フィルタ回路の第３の極または共振器の少なくとも一部を形成する。第２のＳＱＵＩＤは、第２のジョセフソン接合の反対側に結合された第２のインダクタおよび第３のインダクタによって形成することができ、第３のＳＱＵＩＤは、第３のジョセフソン接合の反対側に結合された第１のインダクタおよび第４のインダクタによって形成することができ、第４のＳＱＵＩＤは、第４のジョセフソン接合の反対側に結合された第２のインダクタおよび第４のインダクタによって形成することができる。第２のインダクタは、フィルタ回路の第２の極または共振器の少なくとも一部を形成し、第４のインダクタは、フィルタ回路の第４の極または共振器の少なくとも一部を形成する。

ジョセフソン接合は、それぞれのＳＱＵＩＤに電流が流れていないか、低い電流が誘導されているときに第１のインダクタンスを有し、ある電流またはより高い電流がそれぞれのＳＱＵＩＤに誘導されて、それが、例えば、約０．１Φ０より大きく、約０．４５Φ０より小さい磁束を生成または誘導する所定の閾値にあるときに、第２のインダクタンスを有することができ、ここで、Φ０は磁束量子に等しい。第１のインダクタンス（例えば、

、ここで

はＰｌａｎｃｋの定数を２πで割ったもの、ｅは電子電荷、Ｉ_Ｃはジョセフソン接合の臨界電流である）は、所望のセクションの対向する端部間で入力信号の所望の帯域幅部分の通過を可能にするような、フィルタネットワークの所望のセクション間の結合を提供することができる。第２のインダクタンス（例えば、比較的大きなインダクタンス値）は、入力信号の所望の帯域幅部分の通過が、望ましくないセクションの対向する端部間でブロックされるように、フィルタネットワークのセクション間の分離を提供することができる。

一例では、フィルタネットワークの第１の極は第１の入力ポートに結合され、フィルタネットワークの第２の極は第２の入力ポートに結合される。さらに、フィルタネットワークの第３の極は第１の出力ポートに結合され、フィルタネットワークの第４の極は第２の出力ポートに結合される。バー状態では、第２のＳＱＵＩＤおよび第４のＳＱＵＩＤに磁束が誘導され得、第２および第４のジョセフソン接合に高いインダクタンスを持たせ、一方第１のＳＱＵＩＤおよび第３のＳＱＵＩＤには磁束が誘導されず、第１および第３のジョセフソン接合に低いインダクタンスを持たせる。これは、第１の信号が第１の入力ポートから第１の極および第３の極を通って第１の出力ポートに通過することを可能にし、第１の信号が第４の極を通って第２の出力ポートに通過するのをブロックする。加えて、第２の信号は、第２の入力ポートから第２の極および第４の極を通って第２の出力ポートへ通過することができ、第２の信号が第３の極を通って第１の出力ポートへ通過するのをブロックする。

クロス状態では、第１のＳＱＵＩＤおよび第３のＳＱＵＩＤに磁束が誘導され得、第１および第３のジョセフソン接合に高いインダクタンス持たせ、一方第２のＳＱＵＩＤおよび第４のＳＱＵＩＤには磁束が誘導されず、第２および第４のジョセフソン接合に低いインダクタンスを持たせる。これは、第１の信号が第１の入力ポートから第１の極および第４の極を通って第２の出力ポートに通過することを可能にし、第１の信号が第３の極を通って第１の出力ポートに通過するのをブロックする。加えて、第２の信号は、第２の入力ポートから第２の極および第３の極を通って第１の出力ポートへ通過することができ、第２の信号が第４の極を通って第２の出力ポートへ通過するのをブロックする。

図２は、クロスバースイッチ回路２００および関連するバイアス要素の概略図を図解する。クロスバースイッチ回路は、ポート１のラベルが付いた第１のポート、ポート２のラベルが付いた第２のポート、ポート３のラベルが付いた第３のポート、ポート４のラベルが付いた第４のポートを有するバンドパスフィルタで形成されている。電流は、ポート１に関連付けられた極または共振器に誘導結合され、ポート２に関連付けられた極または共振器に誘導結合された第１の制御ライン２０２を介して提供される。電流はまた、ポート３に関連付けられた極または共振器に結合され、ポート４に関連付けられた極または共振器に誘導結合された第２の制御ライン２０４を介して提供される。第１の構成（例えば、バー状態）および第２の構成（例えば、クロス状態）の両方において、電流は、第１の制御ライン２０２を通って、磁束１入力から磁束１出力への方向に流れる。第１の構成では、電流は、第２の制御ライン２０４を通って磁束２入力から磁束２出力の方向に流れ、それは、ポート１の第１の信号がポート３にルーティングされ（または逆も同じ）、ポート２の第２の信号がポート４にルーティングされる（または逆も同じ）結果をもたらすが、他のすべての対でのポートの組み合わせは相互に絶縁されている。第２の構成では、電流は、第２の制御ライン２０４を通って磁束２出力から磁束２入力の方向に流れ、それは、ポート１の第１の信号がポート４にルーティングされ（または逆も同じ）、ポート２の第２の信号がポート３にルーティングされる（または逆も同じ）結果をもたらすが、他のすべての対でのポートの組み合わせは相互に絶縁されている。

図２を参照して、第２の構成についてポート１からポート４への信号伝搬を検討する。ポート１からの信号は、バンドパスフィルタに入力結合容量を提供する直列結合コンデンサＣ_ｃ１を介して回路に入る。次いで、信号は、フィルタの第１の極を形成するＣ_ｒ１およびＬ_１の並列組み合わせを構成するシャント共振器を通過する。次に、信号は、ジョセフソン接合Ｊ_３を介してＣ_ｒ４およびＬ_４の並列組み合わせによって形成されたフィルタの第４の極に結合され、最後に出力結合コンデンサＣ_ｃ４を通ってポート４へフィルタを出る。ポート２から入る信号は、極Ｃ_ｒ２｜｜Ｌ_２およびＣ_ｒ３｜｜Ｌ_３と結合要素Ｃ_ｃ２、Ｊ_２、およびＣ_ｃ３とによって形成されるバンドパスフィルタを横切ることによって、同様にポート３に送られる。制御磁束は、この設定では、制御磁束によって決定されるこれらの接合の高インダクタンス状態のために、信号が接合Ｊ_１およびＪ_４を通って伝搬できないように構成されている。

制御磁束の第１の構成では、Ｊ_２およびＪ_３は高インダクタンス状態にあり、Ｊ_１およびＪ_４は低インダクタンス状態にある。この第１の構成では、ポート１からの信号は、極Ｃ_ｒ１｜｜Ｌ_１およびＣ_ｒ３｜｜Ｌ_３と結合要素Ｃ_ｃ１、Ｊ_１、およびＣ_ｃ３とによって形成されるバンドパスフィルタを介してポート３にルーティングされ、一方、ポート２からの信号は、極Ｃ_ｒ２｜｜Ｌ_２およびＣ_ｒ４｜｜Ｌ_４と結合要素Ｃ_ｃ２、Ｊ_４、およびＣ_ｃ４とによって形成されるバンドパスフィルタを介してポート４にルーティングされる。

４つのジョセフソン接合Ｊ_１〜Ｊ_４の各々は、回路の２つのノード間に接続されており、これらのノードはまた、接地されたインダクタに接続されている。例えば、Ｊ_１は接地されたインダクタＬ_１およびＬ_３に接続されている。このようにして、接合の各々は、ＲＦ ＳＱＵＩＤを形成する超伝導誘導ループに埋め込まれている。ＲＦ ＳＱＵＩＤループがゼロの適用磁束を囲む場合、関連する接合は低インダクタンス状態になり、マイクロ波信号の伝送が可能になる。ＲＦ ＳＱＵＩＤループが、Φ_０／２の実質的な部分である外部から適用される磁束を囲む場合、関連する接合は、高インダクタンスの状態にあり、マイクロ波信号の伝送を可能にしない。したがって、マイクロ波信号が回路を通過する経路は、ＲＦ ＳＱＵＩＤループの各々に適用される磁束によって制御される。

例えば、実質的にゼロである、磁束Φ_ＯＮは、接合の低インダクタンス状態に対応し、磁束±Φ_０／２のかなりの部分である磁束±Φ_ＯＦＦは、接合の高インダクタンス状態に対応する。例えば、ポート磁束１入力からポート磁束１出力まで制御ライン２０２に電流を供給することができ、それにより、図２の変圧器を介してインダクタＬ_１に結合された磁束は（Φ_ＯＦＦ＋Φ_ＯＮ）／２であり、その変圧器を介してインダクタＬ_２に結合された磁束は−（Φ_ＯＦＦ＋Φ_ＯＮ）／２である（負の符号は、変圧器の反対巻によるものである）。さらに、ポート磁束２入力から磁束２出力まで制御ライン２０４に電流を供給することができ、それにより、変圧器を介してインダクタＬ_４に結合された磁束は（Φ_ＯＦＦ−Φ_ＯＮ）／２であり、インダクタＬ_３に結合された磁束は−（Φ_ＯＦＦ−Φ_ＯＮ）／２である（負の符号は、変圧器の反対巻によるものである）。

この状況では、Ｌ_１〜Ｊ_３〜Ｌ_４ ＲＦ ＳＱＵＩＤで囲まれた磁束は，（Φ_ＯＦＦ＋Φ_ＯＮ）／２＋（Φ_ＯＦＦ−Φ_ＯＮ）／２＝Φ_ＯＦＦであり、Ｊ_３は、高インダクタンス状態である。同様に、Ｌ_２〜Ｊ_２〜Ｌ_３ ＲＦ ＳＱＵＩＤで囲まれた磁束は、−（Φ_ＯＦＦ＋Φ_ＯＮ）／２−（Φ_ＯＦＦ−Φ_ＯＮ）／２＝−Φ_ＯＦＦであり、接合Ｊ_２もまた高インダクタンス状態である。同じ構成が、±Φ_ＯＮをＬ_１〜Ｊ_１〜Ｌ_３およびＬ_４〜Ｊ_４〜Ｌ_２のループにおいて与え、それによりＪ_１およびＪ_４は、低インダクタンス状態である。この制御電流の構成では、ポート１はポート３に接続され、ポート２はポート４に接続されている。磁束２ライン３４に供給される電流の符号が逆になり、それにより電流が磁束２出力から磁束２入力に流れる場合、接合Ｊ_１およびＪ_４は、高インダクタンス状態となり、接合Ｊ_２およびＪ_３は、低インダクタンス状態となり、それによりポート１はポート４に接続され、ポート２はポート３に接続される。

クロスバースイッチ回路２００のいくつかのバージョンを設計することができ、各々が異なる伝達特性を有する。例えば、４次のチェビシェフフィルタ設計で構築されたスイッチは、異なるＳパラメータ特性を提供する。したがって、ここで説明するクロスバースイッチは、例えば、帯域幅、リップル、セクション数、リターンロス、等の要件に合わせるために、様々な異なるフィルタ構成で実装することができる。制御信号帯域からＲＦ信号帯域への漏れ電流を最小限に抑えるために、制御信号をフィルタの阻止帯域に制限することができる。帯域がＲＦ通過帯域の帯域と重ならないローパスフィルタを通して制御信号を適用することにより、漏れをさらに減らすことができる。クロスバースイッチを介してルーティングできるＲＦ信号の強度は、接合臨界電流によって制限される。一部の例では、スイッチを通過することができる最大ＲＦ電力は約−９０ｄＢｍである。クロスバースイッチ回路は、接合Ｊ_１〜Ｊ_４の各々を、各々が元の接合よりもＮ倍大きい臨界電流を有するＮ接合の直列アレイに置き換えることによって、最大電力を増やすように設計することができる。例えば、Ｎ＝１０（１０個の接合、各々×１０高い臨界電流を有する）は、最大電力を２０ｄＢだけ増加させる。

図２のクロスバースイッチ２００は、オンザフライで量子回路を再構成することができるコヒーレントルーティングメカニズムを提供する。ライン２０２および２０４を通る制御電流磁束１および磁束２をそれぞれ調整することによって、ポート間の接続性を変更することができる。１セットのコントロールでは、ポート１はポート３に接続し、ポート２はポート４に接続し、別のセットでは、ポート１はポート４に接続し、ポート２はポート３に接続する。

スイッチ２００のクロスバー機能を使用して、２つの量子オブジェクト間に効果的な単極単投（ＳＰＳＴ）スイッチを作成することができ、それは、例えば、ソースおよびターゲットの量子オブジェクトをポート１およびポート３にそれぞれ接続し、ソースおよびターゲットのオブジェクトのインダクタンスに等しいインダクタンスを有するシミュレートされた負荷をポート２およびポート４に接続することによって、スイッチの位置に関係なく各オブジェクトの負荷を維持する。このような構成では、クロスバースイッチが１つの位置にあるとき、ソースとターゲットの量子オブジェクトが互いに接続され、スイッチが他の位置にあるとき、各オブジェクトはシミュレートされた負荷に接続され、これにより、接続性に関係なく、各量子オブジェクトの特性エネルギーを維持する。このため、このようなスイッチは、量子オブジェクト間の結合をオンまたはオフにすることによって、量子オブジェクト間の選択的な情報交換を可能にし、一方でまた、両方のオブジェクトへの可変負荷の提示や、例えば、オブジェクト間の単純な調整可能な誘導要素を使用して量子オブジェクトが結合されたときに発生する可能性がある動作周波数の問題のある結果的な変化を回避する。

図３は、超伝導クロスバースイッチを含む例示的な負荷補償された調整可能なカプラ回路３００の概略回路図を図解する。図示された設計は、例えばアジレントのＡｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＡＤＳ）ツールを使用したシミュレーションで利用することができる。ジョセフソン接合Ｊ_１〜Ｊ_４からなるジョセフソン接合ブリッジは、図２の回路２００における同様のブリッジに対応することができる。回路２００と同様に、回路３００は、２つの磁束バイアス制御ライン、磁束１および磁束２、を有し、回路図において公称入力および出力ポート、磁束１入力、磁束１出力、磁束２入力、磁束２出力、によってラベル付けされている。いくつかの例では、一方の制御ライン（例えば、磁束１）は、ＤＣ制御電流を提供して磁束バイアスを提供するように構成することができるのに対し、他方の制御ライン（例えば、磁束２）は、高速制御電流を提供するように構成することができ、このためスイッチトグルの機能を提供する、すなわち、バーおよびクロスの状態間を切り替える。他の例では、磁束２がＤＣ制御電流を提供することができ、磁束１が高速スイッチトグルとして構成され得る。どちらの場合も、一組の制御ポートをＤＣまたは低帯域幅伝送ラインに接続して低速制御として指定でき、他方の組の制御ポートを広帯域伝送ラインに接続して高速（スイッチトグル）制御として指定することができる。クロス状態では、ジョセフソン接合Ｊ_１およびＪ_４がオンのとき、各量子オブジェクト３０２、３０４は、バラスト（ダミー負荷）Ｌ_２、Ｌ_３に接続される。例えば、Ｌ_２は図１Ａの第１のダミー負荷１１４に対応することができ、Ｌ_３は図１Ａの第２のダミー負荷１１６に対応することができる。バー状態では、ジョセフソン接合Ｊ_２およびＪ_３がオンのとき、量子オブジェクト３０２、３０４は互いに接続される。

バラストＬ_２、Ｌ_３は、量子オブジェクトの誘導負荷がクロス状態とバー状態とで等しくなるようにサイズ設定することができる。すなわち、Ｌ_２およびＬ_３のインダクタンス値は、それぞれターゲットおよびソース量子オブジェクト３０４、３０２、およびそれらのそれぞれのシャントインダクタＬ_４、Ｌ_１の特性に基づいて選択することができる。このため、Ｌ_２およびＬ_３は、それぞれの量子オブジェクトの負荷に良く一致するように設計することができる、すなわち、カプラの観点から、Ｌ_３は、Ｌ_４／ターゲットオブジェクト３０４システムのようにできるだけ見えるようにすることができ、およびＬ_２は、Ｌ_１／ソース量子オブジェクトシステムのようにできるだけ見えるようにすることができる。いくつかの例では、Ｌ_２およびＬ_３のインダクタンス値をほぼ等しくすることができ、４つのジョセフソン接合すべてのサイズをほぼ等しくすることができる。すべての４つのジョセフソン接合Ｊ_１〜Ｊ_４は、すべてのインダクタンスおよびそれらの選択された値と一致するように、いくつかのパラメトリック変動を有することができる。Ｌ_１およびＬ_４の値は、所望の結合強度に基づいて選択することができる。Ｌ_１およびＬ_４のインダクタンス値をほぼ等しくすることもできるが、これらのコンポーネントが等しくない活用事例もある。

例示的なシミュレーション方法論では、各量子オブジェクト３０２、３０４は、例えば、特定の長さおよびインピーダンスの伝送ラインなどの何らかの共振オブジェクトとして表すことができる。ジョセフソン接合Ｊ_１〜Ｊ_４は、ジョセフソン接合の実際の物理的挙動にかなりよく対応する、すなわち、回路内に何らかの調整可能なインダクタンスを有する、可変インダクタンスのインダクタによってシミュレーションで表すことができる。低インダクタンス状態の接合公称インダクタンスはすべて、例えば、８８２ｐＨにすることができ、高インダクタンス状態は、例えば、低インダクタンス値よりも５０倍大きいインダクタンスを有することができる。コンポーネント値は、入力および出力容量（Ｃ_１、Ｃ_２）が各５ｆＦ、シャントインダクタＬ_１およびＬ_４が各２０ｐＨ、ダミー負荷インダクタＬ_２およびＬ_３が各２０ｐＨになるように作成することができる。コンポーネント値は、信号パスが２次バターワースバンドパスフィルタ応答を近似するように選択することができる。

上述のように、図示された構成３００において、ライン磁束１を通る電流を一定に保つことができ、一方、ライン磁束２を通る電流を変化させて単一のカプラ制御信号を提供することができる。別の構成では、２つの制御ライン磁束１、磁束２の役割を、電流設定点への対応する変更と交換することができる。このため、図３の負荷補償された調整可能なカプラ３００は、接合の対称配置を利用し、２つの動的制御信号の必要性をなくし、回路２００と比較してデバイスの動作を単純化する。カプラ３００はまた、カプラが動作されたときに、結合されたオブジェクトへの負荷が変化するのを防ぎ、そのようにして、結合されたオブジェクトの共振周波数の望ましくないシフトを回避する。

図４は、結合モード４０４および非結合モード４０２の両方における図３の回路のＳパラメータシミュレーションの一組の重ね合わせたグラフである。実際においてＳパラメータプロットは、回路の一部を流れるエネルギーの量を示す。１つの量子オブジェクト（例えば、ターゲット量子オブジェクト３０２）のシミュレーション出力は、実線のプロットとして示され、別の量子オブジェクト（例えば、ソース量子オブジェクト３０４）のシミュレーション出力は、破線のプロットとしてグラフ化されている。矢印４０２の位置で示されるように、シミュレーション結果は、カプラがオフにされたとき（すなわち、オブジェクトが結合されていないとき）、個々のオブジェクトにおいてエネルギーシフトを示さない。結合がオフの場合、プロットは、グラフの上部に矢印４０２の位置で示されている、Ｓパラメータにおける非常に小さい下向きの隆起のみを示しており、本質的に電力が流れていないことを示している。結合がオンの場合、プロットは、Ｓパラメータにおいて非常に大きな減少を示し、大きな電力が流れている（すなわち、２つの量子オブジェクトが結合している）ことを示している。大きなくぼみは、量子オブジェクトが結合中に情報を交換していることを示している。グラフの上部の小さなくぼみは、対応する大きなくぼみとグラフの周波数軸に沿って同じ位置にあるため、プロットは、各量子オブジェクトの動作周波数が結合のオン状態とオフ状態の間で一定のままであることを示している。

このため、ここで説明する負荷補償された調整可能なカプラは、超伝導クロスバースイッチを使用して、２つの量子オブジェクトを一緒に結合することと、各々をダミー負荷に結合することとを切り替えることができ、そのため、クロスバースイッチが開いているか閉じているかに関係なく、各量子オブジェクトは常に同じ負荷を見て、これにより、異なる量子オブジェクトの動作周波数の変化に関する懸念を軽減する。

図５のフローチャートは、２つの量子オブジェクトを結合および負荷補償して切り離す方法５００を示している。第１の量子オブジェクトおよび第２の量子オブジェクトが結合される（５０２）。この結合は、例えば、図３に図解するように構成された超伝導クロスバースイッチを介して行うことができる。２つの量子オブジェクトの切り離し（５０４）と同時に、第１の量子オブジェクトを、第２の量子オブジェクトであるかのように第１の量子オブジェクトから見えるように設計された第１のシミュレートされた負荷に結合することができ（５０６）、第２の量子オブジェクトを、第１の量子オブジェクトであるかのように第２の量子オブジェクトから見えるように設計された第２のシミュレートされた負荷に結合することができる（５０８）。このようにして、２つの量子オブジェクトを、それらの共振周波数を変更せずに選択的に結合または切り離すことができまる。

シミュレートされた負荷は、例えば、インダクタンス値を選択または設定するなどして、そのように設計することができる。例えば、第１のシミュレートされた負荷は、第１の量子オブジェクトが第２の量子オブジェクトに結合されることから経験するのと同じ誘導負荷を第１の量子オブジェクトに提示するサイズのインダクタであることができる。同様に、第２のシミュレートされた負荷は、第２の量子オブジェクトが第１の量子オブジェクトに結合されることから経験するのと同じ誘導負荷を第２の量子オブジェクトに提示するサイズのインダクタであることができる。

方法５００における量子オブジェクトおよびシミュレートされた負荷は、例えば、図２に示されているクロスバースイッチ２００のような、または図３で構成されているような超伝導クロスバースイッチを使用して、それぞれ結合または切り離され得る。例えば、量子オブジェクトは第１の可変インダクタンス結合要素を介して結合することができ、第１の量子オブジェクトは第２の可変インダクタンス結合要素を介して第１のシミュレートされた負荷に結合することができ、第２の量子オブジェクトは第３の可変インダクタンス結合要素を介して第２のシミュレートされた負荷に結合することができる。可変インダクタンス結合要素は、例えば、ジョセフソン接合であり得る。可変インダクタンス結合要素は、第１および第２のシミュレートされた負荷に誘導結合された磁束バイアス制御ラインを通る電流の量と極性を制御することによって、量子オブジェクトとそれぞれのシミュレートされた負荷との間で選択的に結合することを可能にするために、反対のインダクタンス状態の間で切り替えられ得る。そのような制御は、例えば、図１に示されるスイッチコントローラ１０８のようなスイッチコントローラを使用して実施することができる。

例えば、バー状態では、第１および第４の可変インダクタンス結合要素を低インダクタンスに設定し、第２および第３の可変インダクタンス結合要素を高インダクタンスに設定して、量子オブジェクトを結合することができ、クロス状態では、第１および第４の可変インダクタンス結合要素を高インダクタンスに設定し、第２と第３の可変インダクタンス結合要素を低インダクタンスに設定して、各量子オブジェクトをそれぞれのシミュレートされた負荷に結合することができる（すなわち、図５に関して確立された術語を使用して、第１の量子オブジェクトを第１のシミュレートされた負荷に、第２の量子オブジェクトを第２のシミュレートされた負荷に）。

上記で説明したのは、本発明の例である。もちろん、本発明を説明する目的で構成要素または方法論の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む、本出願の範囲内に入るそのようなすべての変更、修正、および変形を包含することが意図されている。さらに、開示または特許請求の範囲が「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」、「第１の（ａ ｆｉｒｓｔ）」、「別の（ａｎｏｔｈｅｒ）」要素、またはそれらの同等物を記載している場合、そのような要素を１つ以上含むと解釈されるべきであり、そのような要素を２つ以上要求することも除外することもしない。本明細書で使用する場合、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という用語は、限定することなく含むことを意味し、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、限定することなく含むことを意味する。「に基づく」という用語は、少なくとも部分的に基づくことを意味する。

Claims (20)

1. 超伝導負荷補償された調整可能なカプラシステムであって、
   超伝導クロスバースイッチの第１のポートに接続された第１の量子オブジェクトと、
   前記スイッチの第２のポートに接続された前記第１の量子オブジェクトの負荷特性を近似する第１のダミー負荷と、
   前記スイッチの第３のポートに接続された第２の量子オブジェクトと、
   前記スイッチの第４のポートに接続された前記第２の量子オブジェクトの負荷特性を近似する第２のダミー負荷と、備え、
   それにより、前記第１および第２の量子オブジェクトが、前記スイッチのクロス状態では結合され、かつ前記スイッチのバー状態では、第１および第２の量子オブジェクトが切り離され、前記第１の量子オブジェクトが前記第２のダミー負荷に結合され、前記第２の量子オブジェクトが前記第１のダミー負荷に結合される、超伝導負荷補償された調整可能なカプラシステム。
2. 前記第１のポートが、第１の可変インダクタンス結合要素を介して前記第３のポートに結合され、
   前記第１のポートが、第３の可変インダクタンス結合要素を介して前記第４のポートに結合され、
   前記第２のポートが、第２の可変インダクタンス結合要素を介して前記第３のポートに結合され、
   前記第２のポートが、第４の可変インダクタンス結合要素を介して前記第４のポートに結合される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記バー状態での、前記第１のポートから前記第３のポートおよび前記第２のポートから前記第４のポートと、前記クロス状態での、前記第１のポートから前記第４のポートおよび前記第２のポートから前記第３のポートと、の間で信号の選択的ルーティングを可能にするために、反対のインダクタンス状態間で前記可変インダクタンス結合要素を変更することによって、前記バー状態と前記クロス状態との間の前記クロスバースイッチの前記設定を制御するように構成されたスイッチコントローラをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記スイッチコントローラが、前記第１および第２のダミー負荷に誘導的に結合された磁束バイアス制御ラインを通る電流の量および極性を制御して、前記システムを前記バー状態と前記クロス状態との間で切り替える、請求項３に記載のシステム。
5. 前記スイッチコントローラが、バー状態では、前記第１および第４の可変インダクタンス結合要素を低インダクタンスに、かつ前記第２および第３の可変インダクタンス結合要素を高インダクタンスに設定し、クロス状態では、前記第１および第４の可変インダクタンス結合要素を高インダクタンスに、かつ前記第２および第３の可変インダクタンス要素を低インダクタンスに設定する、請求項３に記載のシステム。
6. 前記第１の可変インダクタンス要素が第１のジョセフソン接合であり、前記第２の可変インダクタンス要素が第２のジョセフソン接合であり、前記第３の可変インダクタンス要素が第３のジョセフソン接合であり、前記第４の可変インダクタンス結合要素が第４のジョセフソン接合である、請求項２に記載のシステム。
7. 前記第１および第２のダミー負荷が、各々インダクタである、請求項１に記載のシステム。
8. 前記第１および第２のダミー負荷によってそれぞれ近似される前記第１および第２の量子オブジェクトの前記負荷特性が、誘導性負荷特性である、請求項１に記載のシステム。
9. 各量子オブジェクトの動作周波数が、結合状態と非結合状態との間で一定のままである、請求項１に記載のシステム。
10. ２つの量子オブジェクトを結合および負荷補償して切り離す方法であって、
    第１の量子オブジェクトと第２の量子オブジェクトとを結合することと、
    前記２つの量子オブジェクトを切り離すと同時に、
    前記第１の量子オブジェクトを、前記第２の量子オブジェクトであるかのように前記第１の量子オブジェクトから見えるように設計された第１のシミュレートされた負荷に結合することと、
    前記第２の量子オブジェクトを、前記第１の量子オブジェクトであるかのように前記第２の量子オブジェクトから見えるように設計された第２のシミュレートされた負荷に結合することと、を含む、方法。
11. 前記第１のシミュレートされた負荷が、前記第１の量子オブジェクトが前記第２の量子オブジェクトに結合されることから経験するのと同じ誘導負荷を前記第１の量子オブジェクトに提示するサイズのインダクタであり、前記第２のシミュレートされた負荷が、前記第２の量子オブジェクトが前記第１の量子オブジェクトに結合されることから経験するのと同じ誘導負荷を前記第２の量子オブジェクトに提示するサイズのインダクタである、請求項１０に記載の方法。
12. 前記量子オブジェクトおよび前記シミュレートされた負荷が、超伝導クロスバースイッチを使用してそれぞれ結合または切り離される、請求項１０に記載の方法。
13. 前記量子オブジェクトが、第１の可変インダクタンス結合要素を介して結合され、
    前記第１の量子オブジェクトが、第２の可変インダクタンス結合要素を介して前記第１のシミュレートされた負荷に結合され、
    前記第２の量子オブジェクトが、第３の可変インダクタンス結合要素を介して前記第２のシミュレートされた負荷に結合される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記可変インダクタンス結合要素が、前記第１および第２のシミュレートされた負荷に誘導結合された磁束バイアス制御ラインを通る電流の量と極性とを制御することによって、前記量子オブジェクトと前記それぞれのシミュレートされた負荷との間で選択的に結合することを可能にするために、反対のインダクタンス状態の間で切り替えられる、請求項１３に記載の方法。
15. バー状態では、前記量子オブジェクトを結合するために、前記第１および第４の可変インダクタンス結合要素が低インダクタンスに設定され、前記第２および第３の可変インダクタンス結合要素が高インダクタンスに設定され、クロス状態では、各量子オブジェクトをそれぞれのシミュレートされた負荷に結合するために、前記第１および第４の可変インダクタンス結合要素が高インダクタンスに設定され、前記第２および第３の可変インダクタンス結合要素が低インダクタンスに設定される、請求項１４に記載の方法。
16. 各量子オブジェクトの動作周波数が、結合状態と非結合状態との間で一定のままである、請求項１０に記載の方法。
17. 超伝導負荷補償された調整可能なカプラシステムであって、
    各々がそれぞれの動作周波数を有する第１および第２の量子オブジェクトと、
    超伝導クロスバースイッチとして構成されたジョセフソン接合ブリッジであって、前記ブリッジが、
    前記第１の量子オブジェクトと、前記第２の量子オブジェクトの誘導性負荷特性を近似する第２のバラストの第１の端部との間に接続された第１のジョセフソン接合と、
    前記第２のバラストの前記第１の端部と、前記第１の量子オブジェクトの誘導性負荷特性を近似する第１のバラストの第１の端部との間に接続された第２のジョセフソン接合と、
    前記第１の量子オブジェクトと前記第２の量子オブジェクトとの間に接続された第３のジョセフソン接合と、
    前記第２の量子オブジェクトと前記第１のバラストの前記第１の端部との間に接続された第４のジョセフソン接合と、を備える、ジョセフソン接合ブリッジと、
    前記ジョセフソン接合のインダクタンスを切り替えるために構成された１つ以上の磁束バイアスラインと、を備え、
    前記第１および第４のジョセフソン接合が高インダクタンス状態を有し、前記第２および第３のジョセフソン接合が低インダクタンス状態を有するとき、前記第１および第２の量子オブジェクトが互いに結合され、
    前記第１および第４のジョセフソン接合が低インダクタンス状態を有し、前記第２および第３のジョセフソン接合が高インダクタンス状態を有するとき、前記第１の量子オブジェクトが前記第２のバラストに結合され、前記第２の量子オブジェクトが前記第１のバラストに結合される、超伝導負荷補償された調整可能なカプラシステム。
18. 各量子オブジェクトのそれぞれの動作周波数が、前記第１および第２の量子オブジェクトが互いに結合される結合状態と、前記第１および第２の量子オブジェクトが前記第２および第１のバラストにそれぞれ結合される分離状態との間で一定のままである、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記ジョセフソン接合の前記インダクタンス状態を調整し、それによって前記結合および分離状態間を切り替えるために、１つ以上の磁束バイアスラインを通る電流の量および極性を制御するように構成されたスイッチコントローラをさらに備える、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記第１および第２の量子オブジェクトの各々が、キュービットまたは共振器のいずれかである、請求項１７に記載のシステム。

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