基于约瑟夫逊结的循环器以及相关系统和方法技术方案

根据一些方面，提供了一种电路，该电路包括：多个约瑟夫逊结，其串联布置在回路中；至少一个磁性元件，其通过回路产生磁通；多个超导谐振器，每个谐振器在多个约瑟夫逊结中的不同的相邻成对的约瑟夫逊结之间耦接至回路；多个端口，每个端口在谐振器的与谐振器耦接至回路的端部相反的端部处耦接至多个谐振器中的至少一个；以及至少一个控制器，其被配置成向多个端口中的每一个提供输入能量，这使电路用作多个端口之间的循环器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于约瑟夫逊结的循环器以及相关系统和方法相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2015年2月27日提交的题为“IntegratedDirectionalAmplifiersandCirculators”的美国临时专利申请第62/126,423号的权益，其全部内容通过引用并入本文中。
本申请总体涉及循环器电路。更具体地，本申请涉及可以被操作为可逆循环器的量子电路。
技术介绍
在信号处理中需要定向地连接元件使得信息仅单向流动。定向元件将信息从源路由至目的地，而同时防止来自反向通过链的信号的干扰。规范地，由循环器执行输入与输出的分离。循环器是具有多个端口(通常为三个或四个)的部件，所述多个端口可以按顺序操作，使得到达一个端口的输入信号按该顺序从下一端口输出。第二重要的定向装置是双端口放大器，其用于增大信号功率电平，否则信号功率电平太弱而不能由后续元件成功处理。放大器的方向性由反向增益(即由反向通过放大器的信号所经历的增益)指定，其通常远小于定向放大器的单位(unity)。
技术实现思路
一些方面涉及一种电路，该电路包括：在回路中串联布置的多个约瑟夫逊结；通过所述回路产生磁通的至少一个磁性元件；多个超导谐振器，每个谐振器在所述多个约瑟夫逊结中的不同的相邻成对的约瑟夫逊结之间耦接至回路；多个端口，每个端口耦接至所述谐振器的与所述谐振器耦接至所述回路的端部相反的端部处的多个谐振器中的至少一个；以及至少一个控制器，其被配置成向所述多个端口中的至少一个提供输入能量，这使电路用作所述多个端口之间的循环器。根据一些实施方式，所述多个超导谐振器各自电容性地耦接至所述多个端口中的一个或更多个。根据一些实施方式，所述约瑟夫逊结围绕所述回路等距地布置。根据一些实施方式，所述输入能量包括提供至所述多个端口中的每一个的泵送信号，所述泵送信号在所述多个端口中的至少一个处具有不同的频率。根据一些实施方式，所述输入能量包括输入至所述多个端口中的第一端口的第一泵送信号、输入至所述多个端口中的第二端口的第二泵送信号以及输入至所述多个端口中的第三端口的第三泵送信号，所述第一端口与电路的具有第一谐振频率的第一谐振模式相关联，所述第二端口与电路的具有第二谐振频率的第二谐振模式相关联，所述第三端口与电路的具有第三谐振频率的第三谐振模式相关联。根据一些实施方式，第一泵送信号的基本频率等于第二谐振频率与第三谐振频率之差。根据一些实施方式，第二泵送信号的基本频率等于第一谐振频率与第三谐振频率之差，以及第三泵送信号的基本频率等于第一谐振频率与第二谐振频率之差。根据一些实施方式，循环器在所述端口之间沿第一方向起作用，以及第一泵送信号的相位加上第二泵送信号的相位减去第三泵送信号的相位等于π/2的奇整数倍。根据一些实施方式，第一泵送信号的相位加上第二泵送信号的相位减去第三泵送信号的相位等于-π/2的奇整数倍，以及循环器在所述端口之间沿与第一方向相反的第二方向起作用。根据一些实施方式，输入能量是第一输入能量，以及所述至少一个控制器还被配置成向所述多个端口中的至少一个提供不同于第一输入能量的第二输入能量，这使所述电路用作定向放大器。根据一些实施方式，第二输入能量包括输入至所述多个端口中的第一端口的第一泵送信号、输入至所述多个端口中的第二端口的第二泵送信号以及输入至所述多个端口中的第三端口的第三泵送信号，所述第一端口与电路的具有第一谐振频率的第一谐振模式相关联，所述第二端口与电路的具有第二谐振频率的第二谐振模式相关联，所述第三端口与电路的具有第三谐振频率的第三谐振模式相关联，以及第一泵送信号的基本频率等于第二谐振频率与第三谐振频率之和。根据一些实施方式，第二泵送信号的基本频率等于第一谐振频率与第三谐振频率之差，以及第三泵送信号的基本频率等于第一谐振频率与第二谐振频率之和。一些方面涉及一种操作电路的方法，所述电路包括：多个约瑟夫逊结，其在回路中串联布置；至少一个磁性元件，其通过所述回路产生磁通的；多个超导谐振器，每个谐振器在所述多个约瑟夫逊结中的不同的相邻成对的约瑟夫逊结之间耦接至回路；多个端口，每个端口在所述谐振器的与所述谐振器耦接至所述回路的端部相反的端部处耦接至多个谐振器中的至少一个，所述方法包括：向所述多个端口中的每一个提供输入泵送信号，以使所述电路用作所述多个端口之间的循环器。根据一些实施方式，每个输入泵送信号各自具有不同的频率。根据一些实施方式，第一输入泵送信号被输入至所述多个端口中的第一端口，第二输入泵送信号被输入至所述多个端口中的第二端口，并且第三输入泵送信号被输入至所述多个端口中的第三端口，所述第一端口与电路的具有第一谐振频率的第一谐振模式相关联，所述第二端口与电路的具有第二谐振频率的第二谐振模式相关联，所述第三端口与电路的具有第三谐振频率的第三谐振模式相关联，并且第一输入泵送信号的基本频率等于第二谐振频率与第三谐振频率之差。根据一些实施方式，第二输入泵送信号的基本频率等于第一谐振频率与第三谐振频率之差，并且第三输入泵送信号的基本频率等于第一谐振频率与第二谐振频率之差。根据一些实施方式，循环器在所述端口之间沿第一方向起作用，并且第一输入泵送信号的相位加上第二输入泵送信号的相位减去第三输入泵送信号的相位等于π/2的奇整数倍。根据一些实施方式，第一输入泵送信号的相位加上第二输入泵送信号的相位减去第三输入泵送信号的相位等于-π/2的奇整数倍，循环器在所述端口之间沿与第一方向相反的第二方向起作用。附图说明将参照以下附图来描述各个方面和实施方式。应当理解的是，附图不一定按照比例绘制。在附图中，各图所示的每个相同或几乎相同的部件用相同的附图标记来表示。为了清楚起见，并非在每个图中标记了每个部件。图1是根据一些实施方式的集成循环器/放大器电路的框图；图2A是根据一些实施方式的具有三个端口和四个谐振器的集成循环器/放大器电路的框图；图2B示出了根据一些实施方式的图2A的电路的三个正交谐振模式的空间激励方式；图3A示出了根据一些实施方式的对图2A的电路的端口进行泵送以产生其他两个端口之间的转换；图3B示出了根据一些实施方式的对图2A的电路的端口进行泵送以产生其他两个端口之间的增益；图4示出了根据一些实施方式的图2A的电路可以被泵送以产生转换功能与增益功能的组合的各种方式；图5A至图5C示出了根据一些实施方式的图2A的电路作为可逆循环器的操作；以及图6A至图6D示出了根据一些实施方式的图2A的电路作为定向放大器的操作。具体实施方式量子系统的测量通常需要使用仅包含若干光子的信号来探测量子系统。以高保真度测量这样弱的信号通常需要高增益、低噪声的放大器链。另外，循环器通常用于控制量子系统周围的能量流动。如上所述，循环器具有多个端口，所述多个端口可以按顺序操作，使得到达一个端口处的输入信号按顺序从下一端口输出。然而，当在量子电路中使用时，这样的循环器和放大器通常产生不可接受的水平的噪声。即使使信噪比仅降低1dB的相对无噪声的放大器或循环器也可能导致信号功率降低25％。对于量子电路的低功率状况，对电路而言这样的衰减可能太大而不能按预期运行。虽然量子噪声对可以实现的噪声量设置了下限，但是理想的循环器或放大器将仅受量子噪声限制(有时称为被“量子限制”)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电路，包括：多个约瑟夫逊结，其串联布置在回路中；至少一个磁性元件，其通过所述回路产生磁通；多个超导谐振器，每个谐振器在所述多个约瑟夫逊结中的不同的相邻成对的约瑟夫逊结之间耦接至所述回路；多个端口，每个端口在所述谐振器的与所述谐振器耦接至所述回路的端部相反的端部处耦接至多个谐振器中的至少一个；以及至少一个控制器，其被配置成向所述多个端口中的每一个提供输入能量，这使所述电路用作所述多个端口之间的循环器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.27 US 62/126,4231.一种电路，包括：多个约瑟夫逊结，其串联布置在回路中；至少一个磁性元件，其通过所述回路产生磁通；多个超导谐振器，每个谐振器在所述多个约瑟夫逊结中的不同的相邻成对的约瑟夫逊结之间耦接至所述回路；多个端口，每个端口在所述谐振器的与所述谐振器耦接至所述回路的端部相反的端部处耦接至多个谐振器中的至少一个；以及至少一个控制器，其被配置成向所述多个端口中的每一个提供输入能量，这使所述电路用作所述多个端口之间的循环器。2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述多个超导谐振器各自电容性地耦接至所述多个端口中的一个或更多个。3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述约瑟夫逊结围绕所述回路等距地布置。4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述输入能量包括提供至所述多个端口中的每一个的泵送信号，所述泵送信号在所述多个端口中的每一个处具有不同的频率。5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述输入能量包括输入至所述多个端口中的第一端口的第一泵送信号、输入至所述多个端口中的第二端口的第二泵送信号以及输入至所述多个端口中的第三端口的第三泵送信号，其中，所述第一端口与所述电路的具有第一谐振频率的第一谐振模式相关联，其中，所述第二端口与所述电路的具有第二谐振频率的第二谐振模式相关联，并且其中，所述第三端口与所述电路的具有第三谐振频率的第三谐振模式相关联。6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述第一泵送信号的基本频率等于所述第二谐振频率与所述第三谐振频率之差。7.根据权利要求6所述的电路，其中，所述第二泵送信号的基本频率等于所述第一谐振频率与所述第三谐振频率之差，并且其中，所述第三泵送信号的基本频率等于所述第一谐振频率与所述第二谐振频率之差。8.根据权利要求5所述的电路，其中，所述循环器在所述端口之间沿第一方向起作用，并且其中，所述第一泵送信号的相位加上所述第二泵送信号的相位减去所述第三泵送信号的相位等于π/2的奇整数倍。9.根据权利要求8所述的电路，其中，所述第一泵送信号的相位加上所述第二泵送信号的相位减去所述第三泵送信号的相位等于-π/2的奇整数倍，并且其中，所述循环器在所述端口之间沿与所述第一方向相反的第二方向起作用。10.根据权利要求1所述的电路，其中，所述输入能量是第一输入能量，并且其中，所述至少一个控制器还被配置成向所述多个端口中的每一个提供不同于所述第一输入能量的第二输入能量，这使所述电路用作定向放大器。11.根据权利要求10所述的电路，其中，所述第二输入能量包括输入至所述多个端口...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡特里娜·斯利瓦，迈克尔·哈特里奇，阿尼鲁德·纳尔拉，希亚姆·尚卡尔，路易吉·弗伦齐奥，罗伯特·J·舍尔科普夫三世，米歇尔·德沃尔特，
申请(专利权)人：耶鲁大学，
类型：发明
国别省市：美国,US