KR20170106364A - 초전도 단극 쌍투형 스위치 시스템 - Google Patents

초전도 단극 쌍투형 스위치 시스템 Download PDF

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노스롭 그루먼 시스템즈 코포레이션
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    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
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Abstract

공통 노드를 통해 제 2 SQUID에 결합된 제 1 SQUID, 공통 노드에 결합된 입력 포트, 제 1 SQUID에 결합된 제 1 출력 포트, 및 제 2 SQUID에 결합된 제 2 출력 포트를 갖는 필터 네트워크를 포함하는 초전도 스위치 시스템이 제공된다. 초전도 스위치 시스템은 또한 제 1 SQUID 및 제 2 SQUID를 통하는 유도 전류의 양을 제어하여, 입력 단자에 제공된 신호의 원하는 대역폭 부분이 제 1 출력 단자로 통과하고 제 2 출력 단자로 통과하는 것은 차단되는 제 1 인덕턴스 상태들과, 입력된 신호의 원하는 대역폭 부분이 제 2 출력 단자로 통과하고 제 1 출력 단자로 통과하는 것은 차단되는 제 2 인덕턴스 상태들 사이에서 제 1 SQUID와 제 2 SQUID를 교대로 스위칭하도록 구성된 스위치 제어기를 포함한다.

Description

초전도 단극 쌍투형 스위치 시스템
[0001] 본 출원은 2015년 2월 6일자로 출원된 미국 특허출원 제14/616451호로부터의 우선권을 주장하며, 이 출원의 요지는 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
[0002] 본 발명은 일반적으로 초전도 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초전도 단극 쌍투형 스위치 시스템에 관한 것이다.
[0003] 종래의 마이크로파 기계, 전자 기계 및 전자 스위치들은 호환되지 않는 제조 공정들 및 높은 전력 손실로 인해 초전도 전자 회로들의 단일 칩 집적 및 극저온 작동과 호환되지 않을 수 있다. 마찬가지로, 전압 가변 커패시터들, 즉 버랙터들, 기계 드라이버들 또는 강유전체 및 페라이트 재료들과 같은 능동 컴포넌트들의 사용에 의해 일반적으로 실현되는 튜닝 가능 필터들은 단자속 양자(SFQ: single flux quantum) 기술들로 생성될 수 있는 신호 레벨들로 쉽게 제어 가능하지 않으며, 다수는 극저온들에서 작동 가능하지 않다. 초전도 마이크로파 필터들은 고정 및 튜닝 가능 둘 다 고온 및 저온 초전도체들 모두를 사용하여 이전에 실현되었지만, 스위칭 애플리케이션들에서의 이들의 사용은 높은 반사 손실, 제한된 사용 가능 대역폭 및 대역 외 오프 상태 절연 불량을 겪었다.
[0004] 일례로, 제 1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 갖는 제 1 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID: Superconducting Quantum Interference Device) 및 제 2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 갖는 제 2 SQUID를 포함하는 초전도 스위치 시스템이 제공된다. 제 2 SQUID는 공통 노드를 통해 제 1 SQUID에 결합된다. 초전도 스위치 시스템은 공통 노드에 결합된 제 1 단자, 공통 노드 반대편 단부를 통해 제 1 SQUID에 결합된 제 2 단자, 공통 노드 반대편 단부를 통해 제 2 SQUID에 결합된 제 3 단자, 및 스위치 제어기를 포함한다. 스위치 제어기는 반대 인덕턴스 상태들 사이에서 제 1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트 및 제 2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트의 설정을 제어하여, 제 1 단자와 제 2 단자 사이의 제 1 경로와 제 1 단자와 제 3 단자 사이의 제 2 경로 중 하나의 경로 사이에서 신호들의 선택적인 라우팅을 가능하게 하도록 구성된다.
[0005] 또 다른 예에서, 초전도 스위치 시스템은 공통 노드를 통해 제 2 SQUID에 결합된 제 1 SQUID, 공통 노드에 결합된 입력 포트, 제 1 SQUID에 결합된 제 1 출력 포트, 및 제 2 SQUID에 결합된 제 2 출력 포트를 갖는 필터 네트워크를 포함한다. 초전도 스위치 시스템은 또한 제 1 SQUID 및 제 2 SQUID를 통하는 유도 전류의 양을 제어하여, 입력 단자에 제공된 신호의 원하는 대역폭 부분이 제 1 출력 단자로 통과하고 제 2 출력 단자로 통과하는 것은 차단되는 제 1 인덕턴스 상태들과, 입력된 신호의 원하는 대역폭 부분이 제 2 출력 단자로 통과하고 제 1 출력 단자로 통과하는 것은 차단되는 제 2 인덕턴스 상태들 사이에서 제 1 SQUID와 제 2 SQUID를 교대로 스위칭하도록 구성된 스위치 제어기를 포함한다.
[0006] 또 추가 예에서, 제 1 초전도 루프로 배치된 제 1 인덕터, 제 1 조지프슨(Josephson) 접합부 및 공통 인덕터를 갖는 제 1 SQUID, 및 제 2 초전도 루프로 배치된 공통 인덕터, 제 2 조지프슨 접합부 및 제 2 인덕터를 갖는 제 2 SQUID를 포함하는 초전도 스위치가 제공된다. 제 1 단자는 공통 인덕터의 제 1 단부, 제 1 조지프슨 접합부의 제 1 단부 및 제 2 조지프슨 접합부의 제 1 단부에 접속하는 공통 노드에 결합된다. 제 2 단자는 제 1 조지프슨 접합부의 제 2 단부 및 제 1 인덕터의 제 1 단부에 결합되고, 제 3 단자는 제 2 조지프슨 접합부의 제 2 단부 및 제 2 인덕터의 제 1 단부에 결합된다. 공통 모드 자속 바이어스 라인은 공통 인덕터에 유도 결합된 공통 바이어스 인덕터, 그리고 제 1 인덕터에 유도 결합된 제 1 차동 바이어스 인덕터 및 제 2 인덕터에 유도 결합된 제 2 차동 바이어스 인덕터를 포함하는 차동 모드 자속 바이어스 라인을 포함한다.
[0007] 도 1은 초전도 단극 쌍투형 스위치 시스템의 일례의 블록도를 예시한다.
[0008] 도 2는 단극 쌍투형 스위치 회로의 일례의 개략도를 예시한다.
[0009] 도 3은 인덕터들(L1, L2)로서 모델링된 도 2의 접합부들(J1, J2)에 의한 시뮬레이션 이용을 위한 회로도를 예시한다.
[0010] 도 4는 입력 포트 단자(1)로부터 출력 포트 단자(2)로의 입력 신호의 송신 및 입력 신호의 출력 포트 단자(3)로의 송신 차단을 도시하는 그래프를 예시한다.
[0011] 도 5는 입력 포트 단자(1)로부터 출력 포트 단자(3)로의 입력 신호의 송신 및 입력 신호의 출력 포트 단자(2)로의 송신 차단을 도시하는 그래프를 예시한다.
[0012] 도 6은 시뮬레이션에서 이용하기 위해 다른 필터 설계에 존재하는 단극 쌍투형 스위치 회로의 다른 예의 개략 회로를 예시한다.
[0013] 도 7은 도 6의 회로의 한 세트의 WRSpice 시뮬레이션 결과들을 예시한다.
[0014] 본 개시는 일반적으로 초전도 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초전도 단극 쌍투형 스위칭 시스템에 관한 것이다. 초전도 단극 쌍투형 스위칭 시스템은 필터 네트워크의 제 1 섹션과 필터 네트워크의 제 2 섹션(또한 제 1 경로로도 지칭됨)을 결합 및 분리하는 (가변 인덕턴스 결합 엘리먼트라고도 또한 지칭되는) 제 1 가변 인덕턴스 커플러, 및 필터 네트워크의 제 1 섹션과 필터 네트워크의 제 3 섹션(또한 제 2 경로로도 지칭됨)을 결합 및 분리하는 제 2 가변 인덕턴스 커플러를 포함할 수 있다. 제 1 가변 인덕턴스 커플러 및 제 2 가변 인덕턴스 커플러는 스위칭 시스템의 제 1 인덕턴스 상태를 갖도록 제어될 수 있는데, 이는 필터 네트워크의 제 1 섹션과 제 2 섹션 사이에서 신호들의 통과를 허용하면서, 신호들이 필터 네트워크의 제 1 섹션 및 제 3 섹션으로부터 통과하는 것은 차단한다. 더욱이, 제 1 가변 인덕턴스 커플러 및 제 2 가변 인덕턴스 커플러는 스위칭 시스템의 제 2 인덕턴스 상태를 갖도록 제어될 수 있는데, 이는 필터 네트워크의 제 1 섹션과 제 3 섹션 사이에서 신호들의 통과를 허용하면서, 신호들이 필터 네트워크의 제 1 섹션 및 제 2 섹션으로부터 통과하는 것은 차단한다.
[0015] 일례로, 제 1 가변 인덕턴스 커플러 및 제 2 가변 인덕턴스 커플러는 (이하, RF SQUID들 또는 SQUID들로 지칭되는) 인접한 무선 주파수(RF: Radio Frequency) 초전도 양자 간섭 디바이스들의 각각의 엘리먼트들이다. 제 1 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID)는 제 1 가변 인덕턴스 커플러의 대향 측들에 결합된 제 1 인덕터 및 제 2 인덕터를 포함할 수 있다. 제 2 SQUID는 제 2 가변 인덕턴스 커플러의 대향 측들에 결합된 제 2 인덕터 및 제 3 인덕터를 포함할 수 있다. 제 2 인덕터는 제 1 SQUID와 제 2 SQUID 둘 다 서로 결합하여 이중 SQUID 회로 구성을 형성하는 공통 인덕터일 수 있다. 가변 인덕턴스 커플러는 예를 들어, 조지프슨 접합일 수 있는데, 이는 조지프슨 접합을 통해 흐르는 전류에 기초하여 변화될 수 있는 인덕턴스를 갖는다. 주어진 조지프슨 접합을 통해 흐르는 전류는 각각의 SQUID에 인가된 자속에 기초하여 유도될 수 있다.
[0016] 일례로, 조지프슨 접합은 SQUID에서 전류가 유도되지 않거나 저 전류가 유도될 때 제 1 인덕턴스를, 그리고 예를 들어, 약 0.1Φ0보다 크고 약 0.45Φ0보다 작은 자속을 발생시키거나 유도하는 미리 결정된 임계치에 있는 전류 또는 보다 높은 전류가 SQUID에서 유도될 때 제 2 인덕턴스를 가질 수 있으며, 여기서 Φ0은 자속 양자와 같다. 제 1 인덕턴스(예컨대,
Figure pct00001
/2e * 1/IC, 여기서
Figure pct00002
는 2π로 나눈 플랭크 상수이고, e는 전자 전하이며, IC는 조지프슨 접합부의 임계 전류임)는 필터 네트워크의 원하는 섹션들의 대향 단부들 사이에서 입력 신호의 원하는 대역폭 부분의 통과를 가능하게 하도록, 원하는 섹션들 사이의 결합을 제공할 수 있다. 제 2 인덕턴스(예를 들어, 큰 인덕턴스 값)는 원하지 않는 섹션들의 대향 단부들 사이에서 입력 신호의 원하는 대역폭 부분의 통과가 차단되도록 필터 네트워크의 섹션들 사이의 분리를 제공할 수 있다.
[0017] 도 1은 초전도 단극 쌍투형 스위치 시스템(10)의 일례를 예시한다. 초전도 단극 쌍투형 스위치 시스템(10)은 제 1 단자(TMA)로부터의 신호들을 제 2 단자(TMB) 또는 제 3 단자(TMC) 중 하나로 라우팅한다. 대안으로, 신호들은 제 2 단자(TMB) 또는 제 3 단자(TMC) 중 하나로부터 제 1 단자(TMA)로 라우팅될 수 있다. 초전도 단극 쌍투형 스위치 시스템(10)은 2개의 다른 경로들 사이에서 신호들의 스위치 제어를 제공하도록 다양한 초전도 회로 시스템들 중 임의의 시스템으로 구현될 수 있다. 일례로, 신호들은 큐비트에 대해 게이트 또는 판독 동작을 수행하는 것과 같이, 양자 회로에 대한 제어 방식으로 구현되는 마이크로파 신호일 수 있다. 다른 예로서, 신호는 신호 펄스, 통신 신호 또는 제어 명령 신호일 수 있다. 초전도 스위치 시스템(10)은 제 1 경로 및 제 2 경로 중 하나를 통과하는 신호의 바람직한 부분(예를 들어, 특정 주파수 대역폭)에 대응할 수 있는 대역 통과 필터링된 출력 신호를 제공할 수 있다. 추가로, 신호의 원하는 부분은 신호의 원하는 부분 중 어느 부분도 제 1 경로 및 제 2 경로 중 다른 경로를 통과하도록 허용되지 않도록 차단될 수 있다.
[0018] 일례로, 초전도 스위치 시스템(10)은 하나 이상의 입력 공진기들로서 필터 네트워크(12)의 입력부를 그리고 하나 이상의 출력 공진기들을 각각 갖는 필터 네트워크(12)의 한 쌍의 출력부들을 구성하기 위한 하나 이상의 임피던스 컴포넌트들(즉, 커패시터들, 레지스터들, 인덕터들)을 포함할 수 있는 마이크로파 대역 통과 필터 네트워크(12)를 포함한다. 필터 네트워크(12)는 제 1 경로와 연관된 제 1 가변 인덕턴스 커플러를 갖는 제 1 SQUID 및 제 2 경로와 연관된 제 2 가변 인덕턴스 결합기를 갖는 제 2 SQUID를 포함하는 이중 SQUID 회로(14)를 포함할 수 있다. 제 1 SQUID 및 제 2 SQUID는 또한 각각의 SQUID들의 초전도 루프의 컴포넌트들 그리고 하나 이상의 입력 및/또는 하나 이상의 출력 공진기들의 임피던스 컴포넌트들 모두로서 동작하는 하나 이상의 컴포넌트들을 각각 포함할 수 있다. 추가로, 제 1 SQUID 및 제 2 SQUID는 또한 제 1 SQUID와 제 2 SQUID 사이에 공유되는 하나 이상의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 제 1 SQUID 및 제 2 SQUID는 초전도 스위치의 능동 엘리먼트들로서 동작하여, SQUID들의 자속 튜닝 가능한 인덕턴스가 필터 회로의 섹션들을 선택적으로 결합하여 2개의 경로들 중 한 경로 사이에서 신호들의 통과, 그리고 2개의 경로들 중 다른 경로 사이에서 신호들의 차단을 제공할 수 있다. SQUID들은 마이크로파 대역 통과 필터 네트워크(12)에 내장되어 50 옴 임피던스 환경에 대한 매칭을 제공한다.
[0019] 한 세트의 바이어스 엘리먼트들(16)은 제 1 SQUID 및 제 2 SQUID 중 하나에서의 순 전류가 미리 결정된 임계치를 초과하는 결과로서의 순 자속(예를 들어, 자속 양자의 1/2의 상당한 부분의 순 자속) 및 제 1 SQUID 및 제 2 SQUID 중 다른 하나에서의 순 전류가 실질적으로 미리 결정된 임계치 미만이 되는 결과로서의 순 자속(예를 들어, 대략 0인 순 자속)의 유도를 제공하는 구성으로 제 1 SQUID 및 제 2 SQUID에 유도 결합된다. 미리 결정된 임계치를 초과하는 SQUID들 중 하나에서 유도된 순 자속 또는 전류는 SQUID의 연관된 가변 인덕턴스 커플러에 대한 높은 인덕턴스 및 그 각각의 SQUID를 통한 신호들의 차단을 야기한다. 실질적으로 미리 결정된 임계치 미만이 되는 SQUID들 중 하나에서 유도된 순 자속 또는 전류는 SQUID의 연관된 가변 인덕턴스 커플러에 대한 낮은 인덕턴스 및 그 각각의 SQUID를 통한 신호들의 통과를 야기한다. 바이어스 엘리먼트들(16)은 바이어스 엘리먼트들(16)에 대한 바이어스 전류의 양 및 극성들을 제어하는 스위치 제어기(18)에 의해 제어될 수 있으며, 바이어스 엘리먼트들(16)은 결국, 각각의 개별 SQUID에서 유도되고 각각의 개별 SQUID의 가변 인덕턴스 커플러들을 통해 흐르는 전류 및 자속의 양을 제어한다.
[0020] 도 2는 단극 쌍투형 스위치 회로(30)의 개략도를 예시한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 조지프슨 접합부(J1)는 제 1 인덕터(L1) 및 공통 인덕터(LCOM)에 접속되어, 외부에서 가해지는 자속(Φ1)을 둘러싸는 제 1 RF-SQUID(32)(SQUID #1)를 형성한다. 마찬가지로, 조지프슨 접합부(J2)는 제 2 인덕터(L2) 및 공통 인덕터(LCOM)에 접속되어, 외부에서 가해지는 자속(Φ2)을 둘러싸는 제 2 RF-SQUID(34)(SQUID #2)를 형성한다. 제 1 인덕터(L1), 공통 인덕터(공통 인덕터 LCOM) 및 제 2 인덕터(L2)의 대향 단부들은 공통 기준점(접지)에 결합되어, 제 1 RF SQUID(32)와 연관된 제 1 초전도 루프를 형성하고 제 2 RF SQUID와 연관된 제 2 초전도 루프를 형성한다. 조지프슨 접합부들의 임계 전류들은 Ic1,2(L1,2+Lcom)<Φ0이 된다. 접합부들(J1, J2)의 유효 인덕턴스들은 각각 인가된 자속들(Φ1, Φ2)의 함수들이다. 인가된 자속이 대략 0일 때, 각각의 접합부의 인덕턴스는 L=
Figure pct00003
/2eIc로 주어지며, 여기서 Ic는 접합부 임계 전류이다. 접합부 인덕턴스는 자속이 Φ0/2 근처의 값에 도달하는 경우에 접합부 인덕턴스가 발산할 때까지, 인가된 자속에 따라 증가한다(정확한 값은 접합부 임계 전류와 RF-SQUID 루프의 자기 인덕턴스의 곱에 좌우된다).
[0021] 입력 단자(TMA) 또는 포트는 입력 결합 커패시터(CCA)를 통해 제 1 RF SQUID(32) 및 제 2 RF SQUID(34)의 공통 노드(36)에 결합된다. 제 1 출력 단자(TMB) 또는 포트는 제 1 출력 결합 커패시터(CCB)를 통해 제 1 RF SQUID(32)에 접속되고, 제 2 출력 단자(TMB) 또는 포트는 제 2 출력 결합 커패시터(TMC)를 통해 제 2 RF SQUID에 접속된다. 스위치 회로(30)가 적절한 기능의 필터 회로로서 동작하기 위해서는 커패시터들이 도 3 및 도 6에 도시된 필터 배치들과 유사하게 L1, L2 및 LCOM에 병렬로 배치될 필요가 있을 것이라고 인식되어야 한다. 제 1 인덕터(L1)에 유도 결합된 제 1 차동 모드 바이어스 인덕터(LBD1) 및 제 2 인덕터(L2)에 유도 결합된 제 2 차동 모드 바이어스 인덕터(LBD2)를 포함하는 차동 모드 자속 바이어스 라인(DML)이 제공된다. 추가로, 공통 인덕터(LBC)에 유도 결합된 공통 모드 바이어스 인덕터(LCOM)를 포함하는 공통 모드 자속 바이어스 라인(CML)이 제공된다. (도시되지 않은) 스위치 제어기는 각각의 SQUID에 인가되는 자속의 양 및 극성 그리고 이에 따라 제 1 조지프슨 접합부(J1) 및 제 2 조지프슨 접합부(J2)의 인덕턴스를 제어하도록 차동 모드 자속 바이어스 라인(DML) 및 공통 모드 자속 바이어스 라인(CML)에 인가되는 전류의 크기 및 방향을 제어할 수 있다.
[0022] 자속(Φ1 또는 Φ2) 중 하나가 본질적으로 0인 것에 대한 응답으로 접합부들(J1 또는 J2) 중 하나는 낮은 인덕턴스를 갖는 반면, 자속(Φ1 또는 Φ2) 중 하나가 Φ0/2의 상당 부분인 것에 대한 응답으로 다른 접합부는 큰 인덕턴스를 갖는 식으로 자속들(Φ1, Φ2)이 인가될 수 있다. 이 예에서, 입력 신호(SIGIN)(예컨대, 마이크로파 신호)는 입력 포트(TMA)로부터, 선택된 저 인덕턴스 접합부(J1 또는 J2)를 통해, 선택된 출력 포트(TMA 또는 TMB)로 출력 신호(SIGOUT1 또는 SIGOUT2)로서 흐르게 되는 한편, 선택되지 않은 고 인덕턴스 접합부(J1 또는 J2 중 다른 하나)에 접속된 선택되지 않은 포트(TMA 또는 TMB 중 다른 하나)는 그대로 절연되어 있다. 인가된 자속들(Φ1, Φ2)을 제어함으로써, 입력 신호(SIGIN)는 입력 포트에서 출력 포트들 중 하나에 라우팅될 수 있는 한편, 출력 포트들 중 다른 포트는 입력 신호를 통과하지 못하도록 절연된다.
[0023] 도 2는 디바이스의 공통 모드 바이어스 라인(CML)과 차동 모드 바이어스 라인(DML)에 2개의 바이어스 전류들을 인가함으로써 자속들(Φ1, Φ2)이 어떻게 개별적으로 제어될 수 있는지를 보여준다. 바이어스 전류의 인가는 제 1 인덕터(L1)에 유도 결합된 제 1 차동 모드 바이어스 인덕터(LBD1), 제 2 인덕터(L2)에 유도 결합된 제 2 바이어스 인덕터(LBD2) 및 공통 인덕터(LC)에 유도 결합된 공통 모드 바이어스 인덕터(LBC)로 형성된 초전도 변압기들을 통해 제 1 SQUID 및 제 2 SQUID에 전류들을 유도한다. 제어 라인들은 공통 모드 자속 바이어스 라인(CML)에 의해 유도된 자속이 SQUID들 중 하나에서 차동 모드 자속 바이어스 라인(DML)에 의해 유도된 자속에는 부가되고, SQUID들 중 다른 하나에서는 차감되도록 구성된다.
[0024] 예를 들어, 공통 모드 자속 라인(CML)으로 표시된 선을 통해 DC 전류(ICOM)가 인가되어 제 1 SQUID(32) 및 제 2 SQUID(34) 모두에서 각각 0.2Φ0의 자속을 유도할 수 있는데, 이는 제 1 SQUID(32)에서 전류(-ICIND)를 및 제 2 SQUID(34)에서 전류(+ICIND)를 유도한다. 차동 모드 자속 라인(DML)으로 표시된 선을 통해 DC 전류(+IDIND)가 인가되어 제 1 SQUID(32)에서 0.2Φ0 그리고 제 2 SQUID(34)에서 -0.2Φ0의 자속을 유도하며, 이는 제 1 SQUID(32)의 +IDIND 그리고 제 2 SQUID(34)의 +IDIND의 전류를 야기한다. 이는 제 2 SQUID(34)가 (조지프슨 접합부(J2)에 대해 높은 인덕턴스를 야기하는) 0.4Φ0의 총 인가 자속을 포함하는 반면, 제 1 SQUID는 0의 총 인가 자속(조지프슨 접합부(J1)에 대한 낮은 인덕턴스)을 포함하는 결과를 야기한다. 차동 모드 자속 바이어스 라인(DML) 또는 공통 모드 자속 바이어스 라인(CML) 중 하나에 흐르는 전류의 극성은 제 1 RF SQUID(32) 및 제 2 RF SQUID(34)에서의 순 자속 및 순 전류를 각각 변경하도록 변경될 수 있어, 하나의 출력 포트(예컨대, TMA) 또는 다른 하나의 출력 포트(TMB) 사이의 입력 신호(SIGIN)의 라우팅 제어를 야기한다.
[0025] 단극 쌍투형 스위치 회로(30)는 단극 쌍투형 스위치 회로를 50 옴 환경에 적절하게 매칭시키도록 대역 통과 필터에 내장될 수 있다. 도 3은 인덕터들(L1, L2)로서 모델링된 도 2의 접합부들(J1, J2)에 의한 시뮬레이션 이용을 위한 회로도를 예시한다. 도 3은 10GHz를 중심을 한 체비쇼프(Chebychev) 응답을 갖도록 설계된 대역 통과 필터의 내장을 추가로 도시한다. 이 특정 필터 설계에 대한 컴포넌트들의 값들은 도 3의 표 I에 도시된다.
[0026] 도 4 - 도 5는 도 3의 회로의 애질런트(Agilent) ADS에서 S 파라미터 시뮬레이션의 이득 대 주파수의 그래픽 응답들을 예시한다. 도 4는 입력 포트 단자(1)로부터 출력 포트 단자(2)로의 입력 신호의 송신(S21 응답은 참조 번호(52)로 플롯팅됨) 및 입력 포트 단자(1)에서의 입력 신호의 반사(S11 반사 응답은 참조 번호(54)로서 플롯팅됨)뿐만 아니라 입력 신호의 출력 포트 단자(3)로의 송신 차단(S31 응답은 참조 번호(56)로 플롯팅됨)을 보여주는 그래프(50)를 예시한다. 도 5는 입력 포트 단자(1)로부터 출력 포트 단자(2)로의 입력 신호의 차단(S21 응답은 참조 번호(52)로 플롯팅됨) 및 입력 포트 단자(1)에서의 입력 신호의 반사(S11 반사 응답은 참조 번호(54)로서 플롯팅됨)뿐만 아니라 입력 신호의 출력 포트 단자(3)로의 송신(S31 응답은 참조 번호(56)로 플롯팅됨)을 보여주는 그래프(60)를 예시한다.
[0027] 인가된 자속에 대한 접합부 인덕턴스들의 응답은 여기서는 각각의 인덕턴스를 100배 증가시킴으로써 모델링되는 한편, 실질적인 인가 자속을 갖는 다른 접합부 인덕턴스는 변경되지 않고 유지된다. 도 4의 그래프(50)에서, L2의 인덕턴스(도 2의 J2 참조)는 100배로 스케일링되어, 입력 포트 단자(1)로부터 출력 포트 단자(2)로 신호를 라우팅한다. 도 5의 그래프(60)에서, L1의 인덕턴스(도 2의 J1 참조)는 100배로 스케일링되어, 입력 포트 단자(1)로부터 출력 포트 단자(3)로 신호를 라우팅한다.
[0028] 도 6은 시뮬레이션에서 이용하기 위해 다른 필터 설계에 존재하는 단극 쌍투형 스위치 회로(70)의 개략적인 회로의 다른 예를 예시한다. 도 6은 조지프슨 접합부들(b0, b1) 및 "a" 및 "d"로 표시된 자속 바이어스 포트들을 포함하는 완전한 회로(70)를 도시한다. 공통 모드 자속 바이어스 라인은 포트 "a"로부터 인덕터(L4)를 통해 공급되고 변압기(K0)를 통해 공통 인덕터(L2)(도 2에서 LCOM 참조)에 결합된다. 차동 모드 자속 바이어스는 인덕터들(L7, L8)을 통해 포트 "d"로부터 공급되고 변압기들(K1, K2)을 통해 인덕터들(L3, L6)(도 2의 인덕터들(L1, L2) 참조)에 결합된다. 이 회로는 조지프슨 접합부들 및 초전도 회들의 동작을 정확하게 모델링하는 회로 시뮬레이터인 WRSpice에서 시뮬레이션될 수 있다.
[0029] 도 7은 도 6의 회로(70)의 한 세트의 WRSpice 시뮬레이션 결과들(80)을 예시한다. 10GHz에서 -120dBm 톤인 입력 신호(88)가 제공되고, (도시되지 않은) DC 공통 모드 자속이 포트 "a"를 통해 인가되고, 발진 차동 자속(86)이 포트 "d"를 통해 인가되어, 회로(70)의 제 1 SQUID 및 제 2 SQUID와 연관된 자속들이 도 2에 도시된 바와 같이 Φ1 및 Φ2에 대응하여, 0 내지 0.365Φ0으로 발진한다. 제 1 플롯(82)은 제 1 출력 포트(out1)에서의 전압을 예시하고, 제 2 플롯(84)은 회로(70)의 제 2 출력 포트(out2)에서의 전압을 예시하여, 발진 차동 자속(86)의 극성 변화에 대한 응답으로 입력 신호(88)가 제 1 플롯(82)에 도시된 것과 같이 포트(1)로 또는 제 2 플롯(84)에 도시된 것과 같이 포트(2)로 번갈아 라우팅됨을 보여준다.
[0030] 가능한 애플리케이션의 일례로, 단극 쌍투형 스위치는 RQL 자속 펌프와 통합되어 2개의 출력 설정들 간에 스위치를 토글하는 차동 모드 자속을 제공할 수 있다. 자속 펌프 및 스위치 어셈블리는 초전도 큐비트 회로와 추가로 통합될 수 있다. 이러한 시스템은 예를 들어, 제 3 큐비트의 측정 결과에 대해 조정된 2개의 큐비트들 중 하나에 선택적으로 마이크로파 펄스를 제공하여, 조건부 양자 게이트를 구현할 수 있다. 다른 가능한 예시적인 애플리케이션에서, 스위치는 RQL 프로세서의 제어 하에, 시퀀스 내의 큐비트들의 상이한 그룹들에 마이크로파 판독 펄스들을 인가하도록 구성될 수 있다. 또 추가 예시적인 애플리케이션은 2개의 입력 경로들 중 하나의 출력을 선택하기 위해 스위치를 역방향으로 접속하는 것을 수반한다. 이 구성은 예를 들어, 스위치 입력들에 (필터의 통과 대역 내의) 서로 다른 주파수들의 두 신호들을 공급하고 출력으로 전파하기 위해 이 두 주파수들 중 하나를 선택하는 것을 가능하게 한다. 여기에 개시된 바와 같은 2개의 단극 쌍투형 스위치들은 집적 마이크로파 회로에서 2개의 신호 경로들 중 하나를 선택하도록 나란히 동작될 수 있으며, 각각의 경로는 예를 들어, 상이한 시간 지연 또는 협대역 주파수 응답을 갖는다.
[0031] 위에서 설명한 것은 본 발명의 예들이다. 물론, 본 발명을 설명하기 위해 컴포넌트들 또는 방법들의 모든 생각할 수 있는 조합을 설명할 수 있는 것이 아니라, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 많은 추가 조합들 및 치환이 가능하다고 인식할 것이다. 이에 따라, 본 발명은 첨부된 청구항들을 포함하여 본 출원의 범위 내에 있는 그러한 모든 변경들, 수정들 및 변형들을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 초전도 스위치 시스템으로서,
    제 1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 갖는 제 1 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID: Superconducting Quantum Interference Device);
    제 2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 갖는 제 2 SQUID ― 상기 제 2 SQUID는 공통 노드를 통해 상기 제 1 SQUID에 결합됨 ―;
    상기 공통 노드에 결합된 제 1 단자;
    상기 공통 노드 반대편 단부를 통해 상기 제 1 SQUID에 결합된 제 2 단자;
    상기 공통 노드 반대편 단부를 통해 상기 제 2 SQUID에 결합된 제 3 단자; 및
    반대 인덕턴스 상태들 사이에서 상기 제 1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트 및 상기 제 2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트의 설정을 제어하여, 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자 사이의 제 1 경로와 상기 제 1 단자와 상기 제 3 단자 사이의 제 2 경로 중 하나의 경로 사이에서 신호들의 선택적인 라우팅을 가능하게 하도록 구성되는 스위치 제어기를 포함하는,
    초전도 스위치 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기 제 1 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트 및 상기 제 2 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트는 자속 제어 가변 인덕터들로서 구성되며,
    상기 자속 제어 가변 인덕터들은 상기 자속 제어 가변 인덕터를 통해 흐르는 전류의 진폭에 기초하여 상기 가변 인덕턴스를 제공하는,
    초전도 스위치 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트는 조지프슨 접합부(Josephson junction)를 포함하는,
    초전도 스위치 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 SQUID는 제 1 인덕터, 제 1 조지프슨 접합부인 상기 제 1 가변 인덕턴스 엘리먼트, 및 제 2 인덕터로 구성되고,
    상기 제 2 SQUID는 상기 제 2 인덕터, 제 2 조지프슨 접합부인 상기 제 2 가변 인덕턴스 엘리먼트, 및 제 3 인덕터로 구성되는,
    초전도 스위치 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID에 유도 결합되어, 상기 공통 모드 자속 바이어스 엘리먼트를 통해 흐르는 전류를 기초로 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID 각각에 공통 모드 자속을 유도하는 공통 모드 자속 바이어스 라인, 및 상기 제 1 SQUID에 제 1 차분 모드 자속을 그리고 상기 제 2 SQUID에 제 2 차분 모드 자속을 유도하는 차동 모드 자속 바이어스 라인을 더 포함하는,
    초전도 스위치 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공통 모드 자속 바이어스 라인은 상기 제 2 인덕터에 유도 결합된 공통 바이어스 인덕터를 포함하고,
    상기 차동 모드 자속 바이어스 라인은 상기 제 1 인덕터에 유도 결합된 제 1 차동 바이어스 인덕터 및 상기 제 3 인덕터에 유도 결합된 제 2 차동 바이어스 인덕터를 포함하는,
    초전도 스위치 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 상기 공통 모드 자속 바이어스 라인 및 상기 차동 모드 자속 바이어스 라인을 통하는 전류의 양 및 상기 공통 모드 자속 바이어스 라인 및 상기 차동 모드 자속 중 하나를 통하는 전류의 극성을 제어하고,
    전류의 극성의 변화는 상기 제 1 경로 및 상기 제 2 경로 중 하나를 통한 신호들의 라우팅 사이의 선택을 변화시키는,
    초전도 스위치 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID 중 하나가 대략 0의 순 자속을 갖고 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID 중 다른 하나는 약 0.1Φ0 내지 약 0.45Φ0의 순 자속을 갖는 결과를 야기하는 경로를 선택할 때 상기 공통 모드 자속 바이어스 라인 및 상기 차동 모드 자속 라인에 전류들 및 전류의 극성을 제공하며, 여기서 Φ0은 자속 양자와 같은,
    초전도 스위치 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단자와 상기 공통 노드 사이에 결합된 제 1 결합 커패시터, 상기 제 2 단자와 상기 제 1 SQUID 사이에 결합된 제 2 결합 커패시터, 및 상기 제 3 단자와 상기 제 2 단자 사이에 결합된 제 3 결합 커패시터를 더 포함하며,
    상기 제 1 결합 커패시터, 상기 제 2 결합 커패시터 및 상기 제 3 결합 캐패시터는 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID를 통해 흐르는 전류들이 상기 시스템의 다른 부분들을 통해 흐르지 않게 절연됨을 보장하는,
    초전도 스위치 시스템.
  10. 초전도 스위치 시스템으로서,
    공통 노드를 통해 제 2 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID)에 결합된 제 1 SQUID를 포함하는 필터 네트워크;
    상기 공통 노드에 결합된 입력 포트;
    상기 제 1 SQUID에 결합된 제 1 출력 포트;
    상기 제 2 SQUID에 결합된 제 2 출력 포트; 및
    상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID를 통하는 유도 전류의 양을 제어하여, 상기 입력 단자에 제공된 신호의 원하는 대역폭 부분이 상기 제 1 출력 단자로 통과하고 상기 제 2 출력 단자로 통과하는 것은 차단되는 제 1 인덕턴스 상태들과, 입력된 신호의 원하는 대역폭 부분이 상기 제 2 출력 단자로 통과하고 상기 제 1 출력 단자로 통과하는 것은 차단되는 제 2 인덕턴스 상태들 사이에서 상기 제 1 SQUID와 상기 제 2 SQUID를 교대로 스위칭하도록 구성된 스위치 제어기를 포함하는,
    초전도 스위치 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 SQUID는 제 1 인덕터, 제 1 조지프슨 접합부 및 공통 인덕터로 구성되고,
    상기 제 2 SQUID는 상기 공통 인덕터, 제 2 조지프슨 접합부 및 제 2 인덕터로 구성되는,
    초전도 스위치 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 공통 인덕터 및 하나 이상의 추가 입력 임피던스 컴포넌트들로 형성된 하나 이상의 입력 공진기들, 상기 제 1 인덕터 및 하나 이상의 추가 제 1 출력 임피던스 컴포넌트들로 형성된 하나 이상의 제 1 출력 공진기들, 그리고 상기 제 2 인덕터 및 하나 이상의 추가 제 2 출력 임피던스 컴포넌트들로 형성된 하나 이상의 제 2 출력 공진기들을 더 포함하는,
    초전도 스위치 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 인덕턴스 상태들은 상기 제 1 조지프슨 접합부가 상대적으로 낮은 인덕턴스 상태를 갖고 상기 제 2 조지프슨 접합부가 상대적으로 높은 인덕턴스 상태를 갖는 경우이고,
    상기 제 2 인덕턴스 상태들은 상기 제 1 조지프슨 접합부가 상대적으로 높은 인덕턴스 상태를 갖고 상기 제 2 조지프슨 접합부가 상대적으로 낮은 인덕턴스 상태를 갖는 경우인,
    초전도 스위치 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID에 유도 결합되어, 상기 공통 모드 자속 바이어스 엘리먼트를 통해 흐르는 전류를 기초로 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID 각각에 공통 모드 자속을 유도하는 공통 모드 자속 바이어스 라인, 및 상기 제 1 SQUID에 제 1 차분 모드 자속을 그리고 상기 제 2 SQUID에 제 2 차분 모드 자속을 유도하는 차동 모드 자속 바이어스 라인을 더 포함하는,
    초전도 스위치 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 상기 공통 모드 자속 바이어스 라인 및 상기 차동 모드 자속 바이어스 라인을 통하는 전류의 양 및 상기 공통 모드 자속 바이어스 라인 및 상기 차동 모드 자속 중 하나를 통하는 전류의 극성을 제어하고,
    전류의 극성의 변화는 상기 입력 포트와 상기 제 1 출력 포트 사이에서 상기 입력 신호를 라우팅하는 것 또는 상기 입력 포트와 상기 제 2 출력 포트 사이에서 상기 입력 신호를 라우팅하는 것 사이의 선택을 변화시키는,
    초전도 스위치 시스템.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID 중 하나가 대략 0의 순 자속을 갖고 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID 중 다른 하나는 약 0.1Φ0 내지 약 0.45Φ0의 순 자속을 갖는 결과를 야기하는 경로를 선택할 때 상기 공통 모드 자속 바이어스 라인 및 상기 차동 모드 자속 라인에 전류들 및 전류의 극성을 제공하며, 여기서 Φ0은 자속 양자와 같은,
    초전도 스위치 시스템.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 입력 단자와 상기 공통 노드 사이에 결합된 제 1 결합 커패시터, 상기 제 1 출력 단자와 상기 제 1 SQUID 사이에 결합된 제 2 결합 커패시터, 및 상기 제 2 출력 단자와 상기 제 2 단자 사이에 결합된 제 3 결합 커패시터를 더 포함하며,
    상기 제 1 결합 커패시터, 상기 제 2 결합 커패시터 및 상기 제 3 결합 캐패시터는 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID를 통해 흐르는 전류들이 상기 시스템의 다른 부분들을 통해 흐르지 않게 절연됨을 보장하는,
    초전도 스위치 시스템.
  18. 초전도 스위치로서,
    제 1 초전도 루프로 배치된 제 1 인덕터, 제 1 조지프슨 접합부 및 공통 인덕터를 갖는 제 1 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID);
    제 2 초전도 루프로 배치된 상기 공통 인덕터, 제 1 조지프슨 접합부 및 제 2 인덕터를 갖는 제 2 SQUID;
    상기 공통 인덕터의 제 1 단부, 상기 제 1 조지프슨 접합부의 제 1 단부 및 상기 제 2 조지프슨 접합부의 제 1 단부에 접속되는 공통 노드에 결합된 제 1 단자;
    상기 제 1 조지프슨 접합부의 제 2 단부 및 상기 제 1 인덕터의 제 1 단부에 결합된 제 2 단자;
    상기 제 2 조지프슨 접합부의 제 2 단부 및 상기 제 2 인덕터의 제 1 단부에 결합된 제 3 단자;
    공통 인덕터에 유도 결합된 공통 바이어스 인덕터를 포함하는 공통 모드 자속 바이어스 라인; 및
    상기 제 1 인덕터에 유도 결합된 제 1 차동 바이어스 인덕터 및 상기 제 2 인덕터에 유도 결합된 제 2 차동 바이어스 인덕터를 포함하는 차동 모드 자속 바이어스 라인을 포함하는,
    초전도 스위치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 공통 모드 자속 바이어스 라인 및 상기 차동 모드 자속 바이어스 라인을 통해 인가되는 전류의 양 및 상기 공통 모드 자속 바이어스 라인 및 상기 차동 모드 자속 바이어스 라인 중 하나를 통하는 전류의 극성은, 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID 중 하나에서 대략 0의 순 자속 그리고 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID 중 다른 하나에서 자속 양자의 ½의 상당 부분의 자속을 제공하여, 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자, 그리고 상기 제 1 단자와 상기 제 3 단자 중 하나를 통한 신호들의 선택적인 라우팅을 야기하는,
    초전도 스위치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 단자와 상기 공통 노드 사이에 결합된 제 1 결합 커패시터, 상기 제 2 단자와 상기 제 1 SQUID 사이에 결합된 제 2 결합 커패시터, 및 상기 제 3 단자와 상기 제 2 단자 사이에 결합된 제 3 결합 커패시터를 더 포함하며,
    상기 제 1 결합 커패시터, 상기 제 2 결합 커패시터 및 상기 제 3 결합 캐패시터는 상기 제 1 SQUID 및 상기 제 2 SQUID를 통해 흐르는 전류들이 상기 시스템의 다른 부분들을 통해 흐르지 않게 절연됨을 보장하는,
    초전도 스위치 시스템.
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