JP6678102B2 - 低雑音ジョセフソン接合系方向性増幅器 - Google Patents

低雑音ジョセフソン接合系方向性増幅器 Download PDF

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Description

政府支援
この発明は、米国陸軍研究局に与えられたW911NF-09-01-0514の下、政府支援によってなされたものである。政府は該発明において一定の権利を有する。
関連出願についての相互参照
この出願は、2013年10月15日に出願された米国仮特許出願第61/891,226号、発明の名称「LOW-NOISE JOSEPHSON JUNCTION-BASED DIRECTIONAL AMPLIFIER」の利益を主張し、該出願の全内容は参照により本明細書に援用される。
背景
量子情報処理は、情報処理の能力を拡張するために量子力学的特性を使用する。例えば、情報移動の安全確保が高められ得、通信チャンネルに暗号化される情報の量が増加し得、特定のコンピュータ処理(computation)を実行するために必要な操作の数が低減され得る。ちょうど情報が1ビット以上で保存される従来の情報処理におけるように、量子情報は、1以上の、「キュービット」として知られる量子ビットで保存される。キュービットは、光子偏光(photon polarization)、電子スピン、核スピン、または電荷、エネルギーもしくは電流の方向などの超伝導ジョセフソン接合の種々の特性などの任意の二状態量子力学系において物理的に手段を与えられ(implement)得る。
超伝導ジョセフソン接合のプラズマ振動に基づく1つの型のキュービットは、「トランスモン(transmon)」として知られる回路である。量子状態初期化、量子ゲート操作および量子測定などのトランスモンに対する操作は、トランスモンによりマイクロ波光子を伝送および受信することにより実施され得る。マイクロ波光子検出器は、トランスモンから受信された光子を測定するために使用され、高い量子効率および低い雑音を伴った検出を提供することが望ましい。
概要
以下は、本出願のいくつかの態様の非限定的な概要である。
いくつかの態様は、第1のポートおよび第2のポート；第1のカプラ(coupler)および第2のカプラ、ここで該第1のポートおよび第2のポートは第1のカプラに結合される；第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第1の位相保持増幅器；ならびに第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第2の位相保持増幅器を含む、低雑音方向性増幅器(low-noise directional amplifier)に関する。
いくつかの態様において、第1のポートは、少なくとも1つの入力信号を受信するように形作られた入力ポートであり、第2のポートは、少なくとも1つの信号を出力するように形作られた出力ポートである。
いくつかの態様において、低雑音方向性増幅器はまた、低温負荷(cold load)に結合された第3のポートおよび低温負荷に結合された第4のポートを含む。
いくつかの態様において、低雑音方向性増幅器は、4つより少ないポートを含む。
いくつかの態様において、第1のカプラは3dBカプラである。
いくつかの態様において、第1の位相保持増幅器の反射利得振幅(reflection gain amplitude)は、第2の位相保持増幅器の反射利得振幅と同じであり、伝送利得振幅(transmission gain amplitude)は、第2の位相保持増幅器の伝送利得振幅と同じである。
いくつかの態様において、第1の位相保持増幅器の反射利得振幅は、1(unity)以上であり、第2のカプラの伝送振幅の逆数(reciprocal)未満である。
いくつかの態様において、第1の位相保持増幅器および第2の位相保持増幅器はそれぞれジョセフソンパラメトリックコンバータ(Josephson Parametric Converter)(JPC)である。
いくつかの態様において、第1の位相保持増幅器のポンプ信号の位相は、第2の位相保持増幅器のポンプ信号の位相とは異なる。
いくつかの態様において、第1の位相保持増幅器のポンプ信号の位相と第2の位相保持増幅器のポンプ信号の位相の差は、π/2ラジアン(pi divided by two radians)である。
いくつかの態様において、第1の位相保持増幅器のポンプ信号の位相と第2の位相保持増幅器のポンプ信号の位相の差は、低雑音方向性増幅器が非相反性(non-reciprocal)であるかどうかを決定する。
いくつかの態様において、第1のポートから第2のポートへの信号の伝送は、第1の位相保持増幅器および第2の位相保持増幅器にポンプが適用されない場合、実質的に100%である。
いくつかの態様において、低雑音方向性増幅器は非相反性であり、サーキュレータを含まない。
いくつかの態様において、低雑音方向性増幅器は、集積回路の少なくとも一部である。
いくつかの態様は、低雑音方向性増幅器、および低雑音方向性増幅器に結合されたキュービットを含み、その結果、該低雑音方向性増幅器はキュービットの状態を測定するように形作られる集積回路に関する。低雑音方向性増幅器は、第1のポートおよび第2のポート；第1のカプラおよび第2のカプラ、ここで第1のポートおよび第2のポートは第1のカプラに結合される；第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第1の位相保持増幅器；ならびに第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第2の位相保持増幅器を含む。
いくつかの態様において、低雑音方向性増幅器は、量子雑音限界におけるキュービットの状態を測定するように形作られる。
いくつかの態様において、キュービットは複数のキュービットの1つであり、低雑音方向性増幅器は複数の低雑音方向性増幅器の1つであり、複数の低雑音方向性増幅器のそれぞれの低雑音方向性増幅器は、複数のキュービットの少なくとも1つに連結される。
いくつかの態様は、マイクロ波信号を増幅する方法に関する。該方法は、方向性増幅器の入力ポートで信号を受信すること、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の両方を使用して信号の少なくとも一部を増幅し、増幅された信号を生成すること、ならびに方向性増幅器の出力ポートから外部へと、増幅された信号を伝送することを含む。
いくつかの態様において、該方法は、増幅することの前に該信号を少なくとも二つの部分に分離することをさらに含む。
いくつかの態様において、第1のパラメトリック増幅器は、第1の位相を有する第1のマイクロ波ポンプを使用してポンピング(pumped)され、第2のパラメトリック増幅器は、第2の位相を有する第2のマイクロ波ポンプを使用してポンピングされ、第1の位相と第2の位相の差はπ/2ラジアンである。
本発明の特徴および利点は、添付の図面に関連して読まれるべきである以下の詳細な説明および特許請求の範囲からより容易に理解され、これから明らかである。
添付の図面は同じ縮尺で描かれることを意図しない。図面において、種々の図に図示される、それぞれの同一またはほぼ同じ構成要素は、同様の数字で示される。明確性のために、全ての図面において、全てではない構成要素が標識されることがある。図面において、
図1は、いくつかの態様の集積回路の概略図を示す。 図2は、いくつかの態様の低雑音方向性増幅器の概略図を図示する。 図3は、いくつかの態様のジョセフソンパラメトリックコンバータを図示する。 図4Aは、いくつかの態様の分路がない(unshunted)ジョセフソンリング変調器の概略図を図示する。図4Bは、いくつかの態様の分路があるジョセフソンリング変調器の概略図を図示する。 図5は、いくつかの態様の、波が方向性増幅器を通過し得る経路を図示する。 図6Aは、いくつかの態様の、方向性増幅器を通る波の第1の経路を図示する。 図6Bは、いくつかの態様の、方向性増幅器を通る波の第2の経路を図示する。 図6Cは、いくつかの態様の、方向性増幅器を通る波の第3の経路を図示する。 図6Dは、いくつかの態様の、方向性増幅器を通る波の第4の経路を図示する。 図7は、いくつかの態様の、信号を増幅する方法を図示する。
詳細な説明
蓄電器および誘導子から形成されるものなどの従来の分散型電子回路は、相反性(reciprocal)であり、これは回路へと逆に再度方向づけられる出力信号が、出力信号を生成した入力信号と同じ経路をたどり、入力ポートから外側へ伝送されることを意味する。この相反性の挙動は、光学においてヘルムホルツの相反性として知られている。相反性は、供給源と観察者の交換の下での系の対称性であるか、または入力および出力のポートを有する回路の場合は、入力ポートと出力ポートの交換の下での系の対称性である。発明者らは、回路の最終段階由来の雑音が、強度が増大した研究下ではデバイスに戻って入ってき得るために、低いレベルのマイクロ波放射を検出するためのマイクロ波増幅器における雑音の低減が、相反性の原理により制限されることを認識し、理解している。この問題は、超伝導キュービットを用いた場合にあることだが、非常に低い温度においてデバイス上で行う測定および室温での電子機器の操作の最終段階に特に重要であり得、これは従来の超伝導キュービット系がどのように生じているかということである。結果的に、発明者らは、回路内で、回路の相反性を破壊する1つ以上のデバイスを設置することで、バルブ様の特性により低温デバイスに達する室温回路構成由来の雑音を防ぎ得ることを認識、理解している。信号を増幅し、非相反性であるデバイスは、「方向性(directional)」増幅器と称される。
発明者らはさらに、マイクロ波電子機器における従来の非相反性構成要素が高磁場におけるフェライトの使用に基づくということを認識し、理解している。フェライト系非相反性構成要素の一例は、サーキュレータである。これらの構成要素は、嵩高く、集積回路に組み込むことが困難であり得る。結果的に、単一チップ上で従来のフェライト系非相反性構成要素と超伝導キュービットを一体化することは困難であり得る。さらに、非相反性の挙動を引き起こすフェライトから生じる磁場は、あまり大きくない(modest)磁場においてであっても材料の超伝導性がその多くの有用な特性を消失するので、超伝導デバイスの性能に負の影響を及ぼし得る。したがって、発明者らは、非相反性がフェライトの磁場に基づくものではないが、代わりに、集積回路に形成され得る構成要素を使用して生じる、非相反性のデバイスに対する必要性があることを認識し、理解している。
いくつかの態様は、1つ以上の入力信号により能動的に制御される1つ以上のデバイスを有する非相反性マイクロ波構成要素を作製するための技術である「能動的非相反性(active non-reciprocity)」の原理に基づく非相反性マイクロ波回路構成要素に関する。例えば、能動的非相反性は、使用されるポンプ信号の位相に感受性であるパラメトリックなアップコンバージョン(up-conversion)およびダウンコンバージョン(down-conversion)などの、位相感受性(phase sensitive)である技術に基づき得る。例えば、信号が最初に、より高い周波数にアップコンバートされ、次いで得られた信号が、元の周波数へとダウンコンバートされる場合、全体的なプロセスの位相は、2つの周波数変換作用において使用される2つのポンプ信号間の位相の差に依存する全体的な位相により、信号をシフトさせる。この全体的な位相のシフトは、2つの周波数変換ポンプの間の位相の勾配の方向に依存する。
いくつかの態様は、前述の位相シフト技術と2つのさらなる技術： 1)受信される信号について全体的な利得(gain)を生じるようにアップコンバージョンとダウンコンバージョンのプロセスを配置すること、および2)特に位相の非相反性を振幅の非相反性に変える波干渉を生じる特性を有するビームスプリッター(しばしばカプラと称される)を形作ること、を組み合わせる。かかる態様の結果は、該デバイスを通って一方向に進行する信号が増幅され、一方で該デバイスを通って反対方向に移動する信号が実質的に同じままであるということである。得られるデバイスは、「方向性増幅器」と称される非相反性増幅器である。いくつかの態様において、構成要素の配置により生じる帰還(feedback)ループのために、例えばカプラまたは損失のある(lossy)チャンネルを介して1つ以上の消失が導入され、該帰還が安定になることが確実になる。例えば、アップコンバージョンおよびダウンコンバージョンのプロセスの反射利得振幅rは、後方カプラの伝送係数αの逆数(reciprocal)よりも小さいことがある。したがって、逆方向利得振幅(reverse gain amplitude)は、アップコンバージョンおよびダウンコンバージョンのプロセスの間に導入される消失の量が増加するにつれて、増加し得る。しかしながら、消失の導入にかかわらず、態様は、量子限界(quantum limit)またはその付近で作動する能力を有し、これは増幅プロセスの際に、信号に付加される雑音の量が、量子力学の原理により付加されることが要求される雑音の最小量またはその付近にあることを意味する。本願を通じて使用する場合、「低雑音」は、量子雑音限界またはその付近で作動するデバイスについていう。
いくつかの態様において、2つのジョセフソンパラメトリックコンバータ(JPC)は、互いにケーブルで接続され(wired)、低雑音方向性増幅器を提供する。量子力学の原理により、任意の増幅は、少なくとも最小量の雑音を必ず導入する。いくつかの態様において、低雑音方向性増幅器は、量子力学により要求される最小の雑音またはその付近にある雑音を導入し得る。この最小雑音は、半分の光子(half photon)と同等の雑音である。1つ以上の超伝導キュービットを読み出すための態様が使用され得、ここで該態様は、バックアクション雑音(back-action noise)によりキュービットの性能を大きく低下させることなく、キュービットの測定において信号 対 雑音比を向上するように経験的に使用されている。特に、発明者らは、効率的で低雑音の読み出しおよび増幅のための回路構成の特徴(hallmark)である超伝導キュービットの量子ジャンプを観察するための少なくとも1つの態様を使用している。従来では、超伝導キュービットにおける量子ジャンプの観察は、フェライト系サーキュレータおよびアイソレーターを使用することによりなされる。本願の少なくとも1つの態様により、前増幅段階(pre-amp stage)においてかかる非相反性要素なしで、量子ジャンプを観察することが可能になる。
図1は、いくつかの態様の集積回路(チップ100)の概略図を示す。該チップは、少なくとも1つの超伝導キュービット101および少なくとも1つの低雑音方向性増幅器103を含む。単一のチップ100は、複数の超伝導キュービット101および複数の方向性増幅器103を含み得る。複数の方向性増幅器のそれぞれの方向性増幅器は、少なくとも1つの超伝導キュービット101に連結される。チップ100は、複数の超伝導キュービットを一緒に連結して、2つ以上の超伝導キュービットが互いに相互作用し得るマイクロ波回路構成を含み得る。例えば、量子ゲート(quantum gate)を実施する、および/または2つ以上の超伝導キュービット101をエンタングルする(entangle)ために、超伝導キュービットの間の相互作用が使用され得る。
チップ100は、少なくとも1つの制御回路からの入力マイクロ波信号を受信し得る。少なくとも1つの制御回路は、キュービット101および/または低雑音方向性増幅器103を制御するためのマイクロ波信号を提供し得る。例えば、制御回路は、1つ以上の量子制御ゲートを実行するマイクロ波信号をキュービット101に送信し得る。制御回路はまた、低雑音方向性増幅器103における1つ以上のパラメトリック増幅器の運転における使用のためのポンプマイクロ波(pump microwave)を伝送し得る。いくつかの態様において、少なくとも1つの制御回路は、1つ以上のさらなる低雑音方向性増幅器を含み得る。しかしながら、任意の適切な制御電子機器を使用してもよい。
いくつかの態様において、チップ100は、方向性増幅器103から増幅されたマイクロ波信号を出力するための少なくとも1つの出力ポートを有する。該出力信号は、さらなる増幅器および/または超伝導キュービット101の状態の測定された値を記録するために使用される検出電子機器に方向づけられ得る。任意の適切な検出電子機器を使用してもよい。
超伝導キュービット101は、少なくとも1つのジョセフソン接合を含む任意の適切なデバイスであり得る。例えば、超伝導キュービット101は、電荷キュービット、フラックスキュービット(flux qubit)、位相キュービットまたはトランスモンキュービットであり得る。いくつかの態様において、超伝導キュービット101は、マイクロ波共振器の内側に少なくとも1つのジョセフソン接合を含み得る。例えば、該共振器は、ストリップライン共振器(strip line resonator)または三次元の空洞であり得る。
低雑音方向性増幅器103は、チップ100に一体化され得、かつ超伝導キュービット101に達する雑音帰還を低減するように非相反性である任意の適切な方向性増幅器であり得る。低雑音方向性増幅器の態様は、以下に、より詳細に述べられる。
いくつかの態様において、チップ100の全体は、雑音を低減するためおよびその臨界温度未満に超伝導体を維持するために低温で保持される。例えば、チップ100は、10〜100ミリケルビン程度の温度で、希釈冷凍装置(dilution refrigerator)内で保持され得る。いくつかの態様において、チップ100の温度は、熱雑音を低減し、キュービット101に保存されて方向性増幅器103により増幅される量子情報を破壊できないように約10ミリケルビン(絶対零度よりも10ミリ度高い)で維持され得る。チップ100の温度は、当該技術分野で公知の極低温技術を使用して、これらの低温で維持され得る。例えば、液体ヘリウムを使用した希釈冷凍装置を使用して、チップ100を選択された温度に冷却し得る。
図2は、いくつかの態様の低雑音方向性増幅器103を図示する。該方向性増幅器103は、キュービット101などの外部デバイスを連結するために使用され得る少なくとも2つの外部ポート-入力ポートとして作用する第1のポート200aおよび出力ポートとして作用する第2のポート200bを有する。さらなる外部ポートも使用してよい。例えば、図2に示す態様において、2つのさらなる「低温負荷」ポートであるポート200cおよびポート200dは該デバイスの一部である。しかしながら、ポート200cおよび2004は、信号を送信または受信するためには使用されず、それらは「低温負荷」に連結され、これらのポートに連結された負荷は、ミリケルビンの温度で維持される。方向性増幅器103はまた、方向性増幅器103の第1の構成要素を方向性増幅器の第2の構成要素に連結するための内部ポートを含み得る。例えば、ポート210aは、前方カプラ201を第1のパラメトリック増幅器202に連結し、ポート210bは、前方カプラ201を第2のパラメトリック増幅器204に連結し、ポート210cは、第1のパラメトリック増幅器202を後方カプラ203に連結し、ポート210dは、第2のパラメトリック増幅器を後方カプラ203に連結する。形容詞「前方」は、前方カプラ201が方向性増幅器103を外部構成要素に連結する2つの外部ポート(入力ポート200aおよび出力ポート200b)を提供することをいう。形容詞「後方」は、後方カプラ203が、信号を方向性増幅器103に送信または信号を方向性増幅器103から受信する外部構成要素のいずれにも連結されないことをいう。
図2に示す方向性増幅器103の態様は、4つの主要な構成要素：第1のカプラ201(前方カプラという)、第2のカプラ203(後方カプラという)、パラメトリック増幅器202および第2のパラメトリック増幅器204を含む。いくつかの態様において、前方カプラ201は、マイクロ波入力信号のためのビームスプリッターのように作用する対称型カプラである。例えば、前方カプラ201は、増幅される信号を受信するように形作られ、入力信号をポート210aおよび210bのそれぞれに伝送または反射し得る入力ポート200aを含む。同様に、出力ポート200bは増幅された信号を出力するように形作られるが、雑音および/または方向性増幅器103に続く外部構成要素からの反射を表す信号は、出力ポート200bを介して方向性増幅器103により受信され得、ポート210bおよび210aのそれぞれに伝送もしくは反射され得る。相反性に基づいて、方向性増幅器103の他の部分からポート210aおよび210bにより受信される任意の信号が、入力ポート200aまたは出力ポート200bのいずれかから外側へ、信号を伝送または反射し得ることも可能となる。いくつかの態様は、入力ポート200aを介して信号を受信する方向性増幅器103の系全体について、入力ポート200aを介して出力される信号の確率振幅(probability amplitude)が実質的に0に等しくなるように形作られる。この確率振幅の低減は、方向性増幅器103(例えばキュービット101)により測定/増幅される系までの帰還を低減する。
カプラ201および203は、任意の適切な伝送振幅および反射振幅を有し得る。例えば、前方カプラ201のポート200aに入る信号について、前方カプラ201の「伝送振幅」は、内部ポート210aを介して信号が出る確率振幅を表し、前方カプラ201の「反射振幅」は、内部ポート210bを介して信号が出る確率振幅を表す。いくつかの態様において、前方カプラ201および後方カプラ203は、対称型カプラであり得、これは伝送の振幅と反射振幅が等しいことを意味する。例えば、前方カプラ201の入力ポート1に入る信号についての伝送振幅は、1/sqrt(2)であり得、前方カプラ201の入力ポート1に入る信号についての反射振幅は、i/sqrt(2)であり得、ここでi=sqrt(-1)である。後方カプラ203は、任意の伝送振幅αおよび任意の反射振幅iβを有し得、ここでαおよびβは両方、実数である。いくつかの態様において、後方カプラはまた、α=β=1/sqrt(2)となるような対称型カプラであり得る。対称型カプラはしばしば、3dBカプラと称される。しかしながら、態様は、前方カプラ201および後方カプラ203について任意の特定の伝送振幅または反射振幅には限定されない。後方カプラ203は、任意の適切な方法での手段であり得る。例えば、後方カプラを使用して、第1のパラメトリック増幅器202と第2のパラメトリック増幅器204の間に損失のある(lossy)チャンネルを導入し得、この場合ハイブリッドカプラの代わりに損失のあるマイクロ波伝送連結が使用され得る。
パラメトリック増幅器202および204は、任意の適切な位相保持増幅器であり得る。例えば、いくつかの態様において、ジョセフソンパラメトリックコンバータ(JPC)が使用され得る。JPCは、ジョセフソン接合のリングに基づいた非縮退位相保持増幅器であり、以下の図3および図4に関してより詳細に述べられる。2つのパラメトリック増幅器202および204は、3波混合(three-wave mixing)を介して増幅を実施するために、コヒーレントポンプシグナルを利用する。いくつかの態様において、それぞれの増幅器についてのポンプの位相は等しくないものであり得るが、互いに一定の関係で維持され得る。例えば、2つのポンプ位相の差は、一定に保持され得、式：
Figure 0006678102
 で表され、ここで
Figure 0006678102
 は、第1の増幅器202のポンプ位相
Figure 0006678102
 と第2の増幅器204の第2の増幅器のポンプ位相
Figure 0006678102
 の差である。いくつかの態様において、
Figure 0006678102
 であり、増幅器103の順方向利得(forward gain)を増加する。いくつかの態様において、デバイス全体の反射係数は、実質的に0になるように調整され得るので、キュービット101などの構成要素は方向性増幅器103からの反射によって乱されない。他の態様において、位相は、方向性増幅器103を通る逆方向利得が、0ではない反応係数を有することを犠牲にして、無視できるものとなるように調整され得る。かかる態様は、逆方向利得を低減することが重要であり、かつ対応する0ではない反射係数が該系の他の構成要素について問題を生じない適用において有用であり得る。
図3は、いくつかの態様の例示的なJPC 202を図示する。JPC 202の中枢の要素は、図4に関してより詳細に述べるジョセフソンリング変調器402である。信号は、ポート301〜303を介した入力およびJPC 202からの出力である。JPC 202は、マイクロ波周波数についてのパラメトリック増幅器であるので、3波混合を実行する光学パラメトリック増幅器の名称が採用される。したがって、ポート301は、例えばJPC 202により増幅される、小さな強度を有するマイクロ波放射を含み得る「信号モード」に対応し、ポート302は、マイクロ波放射が存在しない空モード(empty mode)(すなわち真空状態)であり得る「アイドラーモード(idler mode)」に対応し、ポート303は、例えば信号モードにおけるマイクロ波放射の強度よりもかなり大きな強度を有するマイクロ波放射を含み得る「ポンプモード」に対応する。ポンプモードにおけるマイクロ波放射は、信号モードにおける放射を増幅するためにエネルギーを提供するものである。いくつかの態様において、図3のポート301は、図2のポート200aに対応し、図3のポート302は、図2のポート200bに対応する。この方法において、2つのJPC 202および204のアイドラーモードは、後方カプラ203を介して連結される。
JPC 202は、作動周波数で1半波(half-wave)を支持する2つの伝送ライン共振器を含み、例えば該共振器の長さは実質的に作動波長の1/2の長さと等しい。例えばストリップライン共振器などの任意の適切な伝送ライン共振器を使用し得る。いくつかの態様において、JPC 202は、非退縮増幅を実行し、これは、アイドラーモードの波長は信号モードの波長とは異なるということを意味する。非退縮の態様において、JPC 202は、異なる周波数-信号と関連する第1の周波数
Figure 0006678102
 、およびアイドラーと関連する第2の周波数
Figure 0006678102
 の2つの基本的なモードを支持する。該モードは、JPCの2つの半波マイクロストリップ共振器(half-wave microstrip resonator)の長さにより決定され得る。利得を適用するために、合計周波数
Figure 0006678102
 で、コヒーレント非共振ポンプPを使用してリングをポンピングする。非退縮の態様において、第1の伝送ライン共振器は、部分321および部分322を含み、第2の伝送ライン共振器よりも短い波長のアイドラーモードを支持し、該第2の伝送ライン共振器は、部分323および部分324を含み、より長い波長の信号モードを支持する。2つの伝送ライン共振器は、ジョセフソンリング変調器(JRRM)が配置される電圧節(voltage node)で互いに交差する。
伝送ライン共振器のそれぞれの部分は、それぞれのカップリング蓄電器と結合し、第1の伝送ライン共振器の部分321は、カップリング蓄電器331と結合し、第1の伝送ライン共振器の部分322は、カップリング蓄電器332と結合し、第2の伝送ライン共振器の部分323は、カップリング蓄電器333と結合し、第1の伝送ライン共振器の部分324は、カップリング蓄電器334と結合する。アイドラーモードに関連するカップリング蓄電器331および332は、アイドラーモードに関連するポート302と結合し、カップリング蓄電器333は、信号モードに関連するポート301と結合する。カップリング蓄電器334は、接地(ground)343または50Ω低温負荷に対し短くなっている(shorted)。
いくつかの態様において、アイドラーモードおよびポンプモードは、180°ハイブリッドカプラ305で混合される。信号放射の周波数とアイドラー放射の周波数の合計と等しいポンプ放射の周波数は、JPC 202とは共鳴しない(is not resonant)。図3に図示されないが、いくつかの態様において、カップリング蓄電器334と接地の連結の代わりに、信号モードに関連するポート301を50Ω低温負荷に沿ってハイブリッドカプラに入力し得、ハイブリッドカプラの2つの出力は、カップリング蓄電器333およびカップリング蓄電器334と連結される。
JPC 202は、ジョセフソンリング変調器310(JRM)に基づくものであり、信号モードにおける放射を増幅する3波混合プロセスを生じる非線形性(nonlinearity)を提供する。
Figure 0006678102
 (式中
Figure 0006678102
 )
のフラックスでフラックス偏向される少なくとも4つの超伝導トンネル接合(ジョセフソン接合)を含むJRM 310は、量子フラックスである。ジョセフソンリング変調器310は、非線形の媒介物(medium)として作用し、ポンプ光子を信号光子およびアイドラー光子に変換することにより周波数を混合する。特に、信号の増幅は、信号周波数
Figure 0006678102
 で、ポンプPのマイクロ波光子へのダウンコンバージョンにより達成される。信号モードはポンプモードおよびアイドラーモードから十分分離され、ポンプ光子およびアイドラー光子由来の雑音が存在しない信号が維持される。JPCの伝送利得プロセスの際に獲得される位相は、非相反性であり、ポンプPの位相に依存する。
図4Aは、いくつかの態様の第1のJRM 400の概略図を図示する。JRM 400は、4つ(for)の入力/出力ポート(1〜4)およびホイートストンブリッジ様の配置の4つのジョセフソン接合410〜413を含む。いくつかの態様において、4つのジョセフソン接合410〜413は、実質的に同じ特性を有する。図4Bは、いくつかの態様の第2のJRM 401の概略図を図示する。JRM 401は、4つ(for)の入力/出力ポート(1〜4)、ホイートストンブリッジ様の配置の4つのジョセフソン接合410〜413、および4つの分路がある(shunting)ジョセフソン接合420〜423を含む。分路があるジョセフソン接合420〜423は、4つのジョセフソン接合410〜413よりも大きなものであり得る。分路があるジョセフソン接合410〜413を含むことで、分路がないJRM 400と比べてJRM 401の維持性(tenability)が増加し得る。JRM 400およびJRM 401の両方(bother)において、ジョセフソン接合410〜413は、JPC 202に非線形性を導入するものである。
マイクロストリップ共振器に基づいた特定の型のJPCが先に図示されるが、いくつかの態様では他の型のJPCが使用されてもよい。例えば、特定の長さのマイクロストリップよりもむしろ蓄電器および共振器から作製される共振器に基づくコンパクトな共振器JPC、ならびにJPCの容量性要素が平行な平面蓄電器でありインダクタンスがジョセフソン接合のインダクタンスにより主に支配される容量性かつ誘導性の分路があるJPC。さらに、パラメトリック増幅器202および204は、全くJPCに限定されない。任意の適切な位相保持増幅器が使用されてもよい。
図2は、方向性増幅器103の物理的ポートおよび連結を図示する概略図であるが、図5は、それぞれのラインが、波が系を通って採り得る経路を表す方向性増幅器103の模式的な表示である。例えば、入力ポート1は、2つのラインと関連し、第1のラインは方向性増幅器103内に流れる波を表し、第2のラインは方向性増幅器103から逆に流れる波を表す。図5におけるラインは、それぞれのラインに関連する波の流れの方向を表す矢印で記される。
図5は、方向性増幅器103の同じ主要な構成要素および方向性増幅器103に進入する波に対するそれぞれの構成要素の効果に関連する関連のある変数を図示する。例えば、前方カプラ201は、それぞれのラインに関連する反射振幅および伝送振幅により標識される。前方カプラ201は対称型(3dB)カプラであるので、ポート1に進入し、ポート1'を出るマイクロ波についての伝送振幅およびポート1'に進入し、ポート1を出るマイクロ波についての伝送振幅およびポート2に進入し、ポート2'を出るマイクロ波についての伝送振幅およびポート2'に進入し、ポート2を出るマイクロ波についての伝送振幅は全て、1/sqrt(2)と等しい。一方で、ポート1に進入し、ポート2'を出るマイクロ波についての反射振幅、ポート2'に進入し、ポート1を出るマイクロ波についての反射振幅、ポート2に進入し、ポート1'を出るマイクロ波についての反射振幅およびポート1'に進入し、ポート2を出るマイクロ波についての反射振幅は全て、i/sqrt(2)と等しく、ここでi=sqrt(-1)である。
同様に、後方カプラ203は、伝送振幅αおよび反射振幅iβの後方カプラ自身の一組に関連し、ここでαおよびβは両方実数である。後方カプラ203の伝送および反射の振幅は、以下に説明されるように所望の値に調整され得る。
第1のパラメトリック増幅器202および第2のパラメトリック増幅器204はそれぞれ、共振周波数で反射利得振幅および伝送利得振幅に関連し、これらの振幅はそれぞれrとsで表される。反射および伝送の利得振幅は、関係r2-s2=1を満たす。利得振幅は複素数であり、利得振幅の絶対値の2乗は、パラメトリック増幅器により反射またはパラメトリック増幅器を通って伝送される場合に信号が経験する実際の利得を表す。図5に示すものなどのいくつかの態様は、第1のパラメトリック増幅器202および第2のパラメトリック増幅器204の両方について同じrおよびsを使用するが、態様は、同じ利得振幅を有するものに限定されない。他の態様では、2つの増幅器について異なる利得を使用してもよい。rおよびsの任意の適切な値が使用され得る。いくつかの態様において、反射利得振幅rは、1≦r＜α-1の範囲に限定される。この範囲内の反射利得振幅は、方向性増幅器103内により安定な帰還ループを生じ得る。
第1のパラメトリック増幅器202および第2のパラメトリック増幅器204のそれぞれはまた、増幅器を作動させるために使用されるポンプの位相により決定される位相に関連がある。第1のパラメトリック増幅器202は、第1の位相
Figure 0006678102
 を有し、第2のパラメトリック増幅器202は第1の位相
Figure 0006678102
 を有する。第1の位相と第2の位相の差は任意の値に設定され得る。例えば、いくつかの態様において、第1の位相と第2の位相の差はπ/2ラジアン(または90°)と等しく、すなわち、
Figure 0006678102
 である。
図5に図示される方向性増幅器103を通る4つの経路があり、該経路は、最終的に入力ポート1から出力ポート2へと導かれ、図6A〜Dと関連して図示される。それぞれの図は、図5に図示されるものと同じ方向性増幅器103を示すが、増幅器103を通過する特定の経路を強調する矢印を有する。
図6Aに図示される第1の経路において、ポート1に入る信号は、前方カプラ201を通過してポート1'へと、伝送振幅1/sqrt(2)で伝送される。第1のパラメトリック増幅器202に達すると、信号は、利得振幅rで反射され、前方カプラ201に戻る。前方カプラ201では、信号は、反射振幅i/sqrt(2)で、ポート2へと反射され、ここで信号はデバイス103を出る。
図6Bに図示される第2の経路において、ポート1に入る信号は、前方カプラ201において反射振幅i/sqrt(2)でポート2'へと反射される。第2のパラメトリック増幅器204に達すると、信号は、利得増幅rで前方カプラ201へと逆に反射される。前方カプラ201において、信号は、伝送振幅1/sqrt(2)で出力ポート2へと伝送され、ここで信号はデバイス103を出る。
図6Cに図示される第3の経路において、ポート1に入る信号は、伝送振幅1/sqrt(2)で、前方カプラ201を通過してポート1'へと伝送される。第1のパラメトリック増幅器202に達すると、信号は、利得振幅sおよび位相
Figure 0006678102
 で第2のパラメトリック増幅器204へと伝送される。第2のパラメトリック増幅器204において、信号は、sの利得振幅および
Figure 0006678102
 の位相で、前方カプラへと伝送される。前方カプラ201において、信号は、伝送振幅1/sqrt(2)で、出力ポート2へと伝送され、ここで信号はデバイス103を出る。
図6Dに図示される第4の経路において、ポート1に入る信号は、前方カプラ201において反射振幅i/sqrt(2)でポート2'へと反射される。第2のパラメトリック増幅器204に達すると、信号は、利得振幅sおよび位相
Figure 0006678102
 で第1のパラメトリック増幅器202へと伝送される。第1のパラメトリック増幅器202において、信号は、sの利得振幅および
Figure 0006678102
 の位相で前方カプラへと伝送される。前方カプラ201において、信号は、反射振幅1/sqrt(2)で出力ポート2へと反射され、ここで信号はデバイス103を出る。
これら4つの経路は、経路が互いに干渉して受信されたマイクロ波信号の所望の増幅をもたらすように、コヒーレントに付加される。デバイスの4つのポートのいずれかに入力される信号が、方向性増幅器103により、4つのポートから出力される出力信号へとどのように変換されるかを写像する(map)「散乱マトリックス」を使用して方向性増幅器103の構成要素の種々のパラメーターに関して、方向性増幅器103の効果を表現することが可能である。したがって、散乱マトリックスSは、
Figure 0006678102
 で定義され、式中Sijは、ポートjに入力されポートiから出力される信号についての散乱振幅を表す。いくつかの態様において、方向性増幅器103の全ての構成要素を考慮に入れると、散乱マトリックスは、以下に説明される形態に簡略化される。前記の態様において、後方カプラの伝送および反射の振幅は、α=β=1/sqrt(2)となるように設定され、2つのパラメトリック増幅器の位相の差は、
Figure 0006678102
 となるように設定される。この場合、方向性増幅器103の散乱マトリックスは、
Figure 0006678102
 に簡略化され、ここで以下：
Figure 0006678102
 のパラメーターの定義が使用される。
上述の等式2〜6は、前方カプラおよび後方カプラの振幅が固定され、位相の差が固定される場合、方向性増幅器103の散乱マトリックスの全体は、パラメーターが2つのパラメトリック増幅器の伝送利得振幅sのみとなるように記載され得ることを説明する。したがって、s=0に設定してデバイスを「オフ」にした場合に方向性増幅器103がどのような挙動を取るのかを決定することが可能である。これは、ポンプ信号をオフにするかまたはそうでなければポンプ信号がパラメトリック増幅器202および204に入ることを防ぐことによりなされ得る。方向性増幅器103をオフにすると、散乱マトリックスは、
Figure 0006678102
 まで単純になる。
等式7の散乱マトリックスは、方向性増幅器103をオフにした場合に入力ポート1から出力ポート2への伝送振幅が1(unity)であることを示す。したがって、信号が得られるポート1に連結されたデバイス(例えば、超伝導キュービット101)は、方向性増幅器103を分離することなく代替的な測定手段を用いて、または方向性増幅器と代替的な測定手段の間の切り替えるためのスイッチ(switch to switch)を使用して測定され得る。
「高い利得限界(high gain limit)」において、パラメトリック増幅器は、物理的に可能な限り高い利得、s=1でポンピングされる。等式5および6を使用して、散乱マトリックスの下の値(below)からの極限は、sが1(unity)に近づくにつれて方向性増幅器がこの高い利得限界においてどのように作用するかを決定するように計算され得る。高い利得限界において：
Figure 0006678102
 である。
したがって、方向性増幅器についての散乱マトリックスは、
Figure 0006678102
 となる。
したがって、高い利得限界において、方向性増幅器103のポート1を介した信号入力のための理論的利得は無限大であるが、該デバイスの逆方向利得は、
Figure 0006678102
 (1(unity)に非常に近い)に制限される。したがって、いくつかの態様において、デバイスを通る逆方向利得の量を制限しながら、方向性増幅器103は、潜在的に制限されない順方向利得を有する。また、入力ポート1および出力ポート2は、
Figure 0006678102
 となるように完全に適合され、これは、高い利得限界であっても反射信号がないことを示す。
したがって、上述の態様は、原則的に特に順方向利得については制限がなく、逆方向利得については9/8の制限を有する、量子的に制限された操作が可能な非相反性方向性増幅器の態様を説明する。
他の態様において、方向性増幅器103を通過する逆方向利得(例えば、散乱マトリックスの要素S21)を低減することが望ましくあり得る。したがって、散乱マトリックスは、方向性増幅器103を通過する逆方向利得が、0ではない反射係数を有することを犠牲にして無視できるものとなるように調整され得る。かかる態様は、逆方向利得を低減することが重要であり、かつ対応する0ではない反射係数が系の他の構成要素について問題を生じない適用において有用であり得る。
図7は、いくつかの態様の信号を増幅する方法700を説明する。行為(act)702において、マイクロ波信号は、先に説明される態様のいくつかの方向性増幅器などの方向性増幅器の入力ポートにおいて受信される。こと704において、受信されたマイクロ波信号は、ハイブリッドカプラにおいて、2つの部分に分離される。信号はさらに、それぞれの増幅器が受信された信号を反射するかまたは伝送するかに基づいて、第1のパラメトリック増幅器および/または第2のパラメトリック増幅器において、さらなる部分に分離され得る。こと706において、信号の少なくとも一部は、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の両方により増幅される。いくつかの態様において、第1のパラメトリック増幅器は、第1の位相を有する第1のマイクロ波ポンプを使用してポンピングされ、第2のパラメトリック増幅器は、第2の位相を有する第2のマイクロ波ポンプを使用してポンピングされる。いくつかの態様において、第1の位相と第2の位相の差は、π/2ラジアンである。
低雑音方向性増幅器の態様は、超伝導キュービットを測定するために使用されるものとして先に説明されるが、様々な適用において態様を使用してもよい。例えば、超伝導キュービット上で、量子ゲート操作を初期化および/または実行するために態様を使用してもよい。
低雑音方向性増幅器の態様は、超伝導キュービットの状態を測定するために使用され得るが、様々な適用において態様を使用してもよい。例えば、超伝導キュービット上で、量子ゲート操作を初期化および/または実行するために態様を使用してもよい。態様はまた、量子情報処理以外の適用を有し得る。例えば、態様は、天文学において使用されるマイクロ波望遠鏡またはレーダー信号の検出などの、低い強度のマイクロ波放射の検出を行う任意の状況で使用され得る。
低雑音方向性増幅器の少なくとも1つの態様のいくつかの局面をこのように記載し、説明してきたが、種々の変更、改変および向上が当業者は容易に思い浮かぶことが理解される。かかる変更、改変および向上は、この開示の一部であることが意図され、該発明の精神および範囲の内にあることが意図される。本教示は、種々の態様および例示に関連して説明されるが、本教示がかかる態様または例示に限定されることは意図されない。逆に、本教示は、当業者に理解されるように、種々の変更、改変および均等物を包含する。記載される全てのパラメーター、寸法、材料および配置は、非限定的な例示として提供されること、ならびに実際のパラメーター、寸法、材料および/または配置は、発明の教示が使用される1つまたは複数の具体的な適用に依存することを当業者は容易に理解する。また、当業者は、常套的なものを超えない実験を使用して、記載される具体的な発明の態様に対する多くの均等物を理解するか、または確かめ得る。したがって、前述の態様は例示のみの手段によって提示されること、および該発明の範囲内で、具体的に記載されかつ特許請求される以外の方法で発明の態様が実施され得ることが理解される。本開示の発明の態様は、記載されるそれぞれの個々の特徴、システム、システムアップグレードおよび/または方法に関し得る。また、かかる特徴、システム、システムアップグレードおよび/または方法が互いに矛盾しない場合、2つ以上のかかる特徴、システムおよび/または方法の任意の組合せは、本開示の発明の範囲内に含まれる。
さらに、記載される態様のいくつかの利点が示され得るが、全ての態様が、記載される利点の全てを含むわけではないことが理解されるべきである。いくつかの態様は、利点として記載される任意の特徴を実行しないことがある。したがって、前述の記載および図面は、例示のみのためのものである。
本明細書において使用する場合、不定冠詞「a」および「an」は、反対のことを明確に示さなければ、「少なくとも1つ」を意味すると理解されるべきである。
本明細書において使用する場合、句「および/または」は、そのように接続された要素、すなわちある場合において接続的に存在し、他の場合において離接的に存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味すると理解されるべきである。「および/または」と共に列挙される複数の要素は、同じ様式、すなわちそのように接続された「1つ以上」の要素と解釈されるべきである。「および/または」節で具体的に特定された要素以外の他の要素は、具体的に特定された要素と関連するか関連しないかのいずれにせよ、任意に存在し得る。したがって、非限定的な例として、「Aおよび/またはB」についての参照は、「含む(comprising)」などの開放型の用語法を伴って使用される場合、一態様においてAのみ(任意にB以外の要素を含む)、別の態様においてBのみ(任意にA以外の要素を含む)、さらに別の態様においてAとBの両方(任意に他の要素を含む)などのことをいい得る。
本明細書において使用する場合、「または」は、上述に定義されるように「および/または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト内の項目を抽出する場合、「または」または「および/または」は、包括的である、すなわちいくつかの要素または要素のリストの少なくとも1つを含むが1つより多くも含み、任意に列挙されていないさらなる項目も含むと解釈するものとする。「の1つのみ」または「の厳密に1つ」などの反対のことを明確に示す用語のみは、いくつかの要素または要素のリストの厳密に1つの要素を含むことをいう。一般的に、「いずれか」、「の1つ」、「の1つのみ」または「の厳密に1つ」などの排他性の用語が先にくる場合は、使用される用語「または」は、排他的な選択肢(すなわち、「両方ではなく1つまたは他のもの」)を示すとのみ解釈されるものとする。
本明細書において使用する場合、1つ以上の要素のリストに関して、句「少なくとも1つ」は、要素のリスト中のいずれか1つ以上の要素から選択されるが、要素のリスト内に具体的に列挙されるそれぞれの要素および全ての要素の少なくとも1つを必ずしも含むわけではなく、該要素のリストにおける要素の任意の組合せを排除しない少なくとも1つの要素を意味すると理解されるべきである。この定義はまた、具体的に特定されるこれらの要素に関係があるか関係がないかのいずれにしても、句「少なくとも1つ」が指す要素のリスト内に具体的に特定される要素以外の要素が任意に存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的な例として、「AおよびBの少なくとも1つ」(または同等に、「AまたはBの少なくとも1つ」、または同等に「Aおよび/またはBの少なくとも1つ)は、一態様において、Bが存在せずに1つより多くのAを任意に含む少なくとも1つのA(およびB以外の要素を任意に含む)；別の態様において、Aが存在せずに1つより多くのBを任意に含む少なくとも1つのB(およびA以外の要素を任意に含む)；さらに別の態様において、1つより多くのAを任意に含む少なくとも1つのAと、1つより多くのBを任意に含む少なくとも1つのB(および他の要素を任意に含む)などをいい得る。
例えば、「含む(comprising)」、「含む(including)」、「保有する(carrying)」、「有する(having)」、「含む(containing)」、「含む(involving)」、「保持する(holding)」、「で構成される(composed of)」などの全ての一過的な句は、開放型である、すなわち含む(including)を意味するが、これに限定されないと理解されよう。一過的な句「からなる(consisting of)」および「本質的にからなる(consisting essentially of)」のみは、それぞれ閉鎖型または半閉鎖型の一過的な句であるものとする。
本発明の態様として、以下のものが挙げられる。
［１］第1のポートおよび第2のポート、
第1のカプラおよび第2のカプラ、ここで該第1のポートおよび第2のポートは、第1のカプラに結合される、
第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第1の位相保持増幅器、ならびに
第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第2の位相保持増幅器
を含む、低雑音方向性増幅器(low-noise directional amplifier)。
［２］該第1のポートが、少なくとも1つの入力信号を受信するように形作られる入力ポートであり、該第2のポートが、少なくとも1つの信号を出力するように形作られる出力ポートである、［１］記載の低雑音方向性増幅器。
［３］低温負荷(cold load)に結合される第3のポートおよび低温負荷に結合される第4のポートをさらに含む、［１］記載の低雑音方向性増幅器。
［４］4つより少ないポートを含む、［１］記載の低雑音方向性増幅器。
［５］該第1のカプラが3dBカプラである、［１］記載の低雑音方向性増幅器。
［６］第1の位相保持増幅器の反射利得振幅(reflection gain amplitude)が、第2の位相保持増幅器の反射利得振幅と同じであり、伝送利得振幅(transmission gain amplitude)が、第2の位相保持増幅器の伝送利得振幅と同じである、［１］記載の低雑音方向性増幅器。
［７］該第1の位相保持増幅器の反射利得振幅が、1(unity)以上であり、第2のカプラの伝送振幅の逆数(reciprocal)未満である、［６］記載の低雑音方向性増幅器。
［８］該第1の位相保持増幅器および該第2の位相保持増幅器がそれぞれ、ジョセフソンパラメトリックコンバータ(Josephson Parametric Converter)(JPC)である、［１］記載の低雑音方向性増幅器。
［９］該第1の位相保持増幅器のポンプ信号の位相が、該第2の位相保持増幅器のポンプ信号の位相と異なる、［８］記載の低雑音方向性増幅器。
［１０］該第1の位相保持増幅器のポンプ信号の位相と、該第2の位相保持増幅器のポンプ信号の位相の差が、π/2ラジアン(pi divided by two radians)である、［９］記載の低雑音方向性増幅器。
［１１］該第1の位相保持増幅器のポンプ信号の位相と、該第2の位相保持増幅器のポンプ信号の位相の差により、低雑音方向性増幅器が非相反性(non-reciprocal)であるかどうかを決定する、［９］記載の低雑音方向性増幅器。
［１２］該第1の位相保持増幅器および該第2の位相保持増幅器にポンプが適用されない場合に第1のポートから第2のポートへの信号の伝送が実質的に100%である、［１］記載の低雑音方向性増幅器。
［１３］非相反性であり、かつサーキュレータを含まない、［１］記載の低雑音方向性増幅器。
［１４］集積回路の少なくとも一部である、［１］記載の低雑音方向性増幅器。
［１５］第1のポートおよび第2のポート、
第1のカプラおよび第2のカプラ、ここで該第1のポートおよび第2のポートは、第1のカプラに結合される、
第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第1の位相保持増幅器、ならびに
第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第2の位相保持増幅器
を含む、低雑音方向性増幅器と、
該低雑音方向性増幅器に結合され、その結果、該低雑音方向性増幅器が、キュービットの状態を測定するように形作られる、キュービット
を含む、集積回路。
［１６］該低雑音方向性増幅器が、量子雑音限界でのキュービットの状態を測定するように形作られる、［１５］記載の集積回路。
［１７］該キュービットが複数のキュービットの1つであり、
該低雑音方向性増幅器が、複数の低雑音方向性増幅器の1つであり、複数の低雑音方向性増幅器のそれぞれの低雑音方向性増幅器が、複数のキュービットの少なくとも1つに連結される、［１５］記載の集積回路。
［１８］方向性増幅器の入力ポートで信号を受信すること、
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の両方を使用して少なくとも一部の信号を増幅し、増幅された信号を生成すること、ならびに
該方向性増幅器の出力ポートから、該増幅された信号を伝送すること
を含む、マイクロ波信号を増幅する方法。
［１９］増幅することの前に、信号を少なくとも2つの部分に分けることをさらに含む、［１８］記載の方法。
［２０］第1の位相を有する第1のマイクロ波ポンプを使用して第1のパラメトリック増幅器がポンピング(pump)され、
第2の位相を有する第2のマイクロ波ポンプを使用して第2のパラメトリック増幅器がポンピングされ、
ここで第1の位相と第2の位相の差がπ/2ラジアンである、［１８］記載の方法。

Claims (20)

  1. 第1のポートおよび第2のポート、
    第1のカプラおよび第2のカプラ、ここで該第1のポートおよび第2のポートは、第1のカプラに結合される、
    第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第1の位相保持増幅器、ならびに
    第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第2の位相保持増幅器
    を含む、低雑音方向性増幅器(low-noise directional amplifier)。
  2. 該第1のポートが、少なくとも1つの入力信号を受信するように形作られる入力ポートであり、該第2のポートが、少なくとも1つの信号を出力するように形作られる出力ポートである、請求項１記載の低雑音方向性増幅器。
  3. 低温負荷(cold load)に結合される第3のポートおよび低温負荷に結合される第4のポートをさらに含む、請求項１記載の低雑音方向性増幅器。
  4. 4つより少ないポートを含む、請求項１記載の低雑音方向性増幅器。
  5. 該第1のカプラが3dBカプラである、請求項１記載の低雑音方向性増幅器。
  6. 第1の位相保持増幅器の反射利得振幅(reflection gain amplitude)が、第2の位相保持増幅器の反射利得振幅と同じであり、伝送利得振幅(transmission gain amplitude)が、第2の位相保持増幅器の伝送利得振幅と同じである、請求項１記載の低雑音方向性増幅器。
  7. 該第1の位相保持増幅器の反射利得振幅が、1(unity)以上であり、第2のカプラの伝送利得振幅の逆数(reciprocal)未満である、請求項６記載の低雑音方向性増幅器。
  8. 該第1の位相保持増幅器および該第2の位相保持増幅器がそれぞれ、ジョセフソンパラメトリックコンバータ(Josephson Parametric Converter)(JPC)である、請求項１記載の低雑音方向性増幅器。
  9. 該第1の位相保持増幅器のポンプ信号の位相が、該第2の位相保持増幅器のポンプ信号の位相と異なる、請求項８記載の低雑音方向性増幅器。
  10. 該第1の位相保持増幅器のポンプ信号の位相と、該第2の位相保持増幅器のポンプ信号の位相の差が、π/2ラジアン(pi divided by two radians)である、請求項９記載の低雑音方向性増幅器。
  11. 該第1の位相保持増幅器のポンプ信号の位相と、該第2の位相保持増幅器のポンプ信号の位相の差により、低雑音方向性増幅器が非相反性(non-reciprocal)であるかどうかを決定する、請求項９記載の低雑音方向性増幅器。
  12. 該第1の位相保持増幅器および該第2の位相保持増幅器にポンプが適用されない場合に第1のポートから第2のポートへの信号の伝送が100%である、請求項１記載の低雑音方向性増幅器。
  13. 非相反性であり、かつサーキュレータを含まない、請求項１記載の低雑音方向性増幅器。
  14. 集積回路の少なくとも一部である、請求項１記載の低雑音方向性増幅器。
  15. 第1のポートおよび第2のポート、
    第1のカプラおよび第2のカプラ、ここで該第1のポートおよび第2のポートは、第1のカプラに結合される、
    第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第1の位相保持増幅器、ならびに
    第1のカプラおよび第2のカプラに連結される第2の位相保持増幅器
    を含む、低雑音方向性増幅器と、
    該低雑音方向性増幅器に結合され、その結果、該低雑音方向性増幅器が、キュービットの状態を測定するように形作られる、キュービット
    を含む、集積回路。
  16. 該低雑音方向性増幅器が、量子雑音限界でのキュービットの状態を測定するように形作られる、請求項１５記載の集積回路。
  17. 該キュービットが複数のキュービットの1つであり、
    該低雑音方向性増幅器が、複数の低雑音方向性増幅器の1つであり、複数の低雑音方向性増幅器のそれぞれの低雑音方向性増幅器が、複数のキュービットの少なくとも1つに連結される、請求項１５記載の集積回路。
  18. 方向性増幅器の入力ポートで信号を受信すること、
    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の両方を使用して少なくとも一部の信号を増幅し、増幅された信号を生成すること、ならびに
    該方向性増幅器の出力ポートから、該増幅された信号を伝送すること
    を含み、第1の位相を有する第1のマイクロ波ポンプを使用して第1のパラメトリック増幅器をポンピング(pump)し、第2の位相を有する第2のマイクロ波ポンプを使用して第2のパラメトリック増幅器をポンピングし、ここで、第1の位相と第2の位相の差がπ/2ラジアンである、マイクロ波信号を増幅する方法。
  19. 増幅することの前に、信号を少なくとも2つの部分信号に分けることをさらに含む、請求項１８記載の方法。
  20. 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、位相保持増幅器である、請求項１８記載の方法。
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