无线约瑟夫逊参数转换器制造技术

描述了一种基于无线约瑟夫逊结的参数转换器。转换器可以形成在具有被配置成无线接收泵送频率、信号频率和空载频率并将接收的频率耦合至转换器的电路的天线的基板上。还可以将电容器制造在相同基板上并且将其尺寸设计成将转换器的操作调整成期望的频率。转换器可以直接耦合至微波波导，并且可以通过向转换器电路施加磁通量来调整成不同的信号频率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无线约瑟夫逊参数转换器政府资助本专利技术是在根据由美国陆军研究部授予的W911NF-09-1-0514号授权的政府支持下做出的。政府对专利技术有一定的权利。相关申请本申请要求于2015年4月17日提交的题为“WirelessJosephsonParametricConverter”的序列号62/149,419的美国临时申请的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。相关技术的讨论存在可用于在微波频率(例如，约300MHz至约300GHz之间的频率)下操作的电动系统的许多不同的微波设备和部件。这样的设备和部件的示例包括放大器、耦接器、循环器、混合器、频率转换器、谐振器、衰减器、天线和传输线。这些设备和部件可用于从无线通信系统到雷达系统的广泛应用。各种微波设备和部件还可以适用于量子信息领域。例如，一些量子信息系统(例如，量子计算机)可以存储和操作被称为“量子比特”或“量子位”的量子化状态的信息。对量子位的操作可以涉及将微波信号耦合到一个或更多个微波谐振器之中和/或之外，将微波信号耦合到超导集成电路以及耦合来自超导集成电路的微波信号，放大信号，混合和/或解调信号等，使得可以执行量子计算。这些对量子位的操作中的一些操作可能需要使用微波设备和部件。在电动系统中一些量子计算系统可以利用与量子位接口的基于约瑟夫逊结的放大器。常规的约瑟夫逊结放大器可以包括形成在基板上的超导元件，其通过引线接合电连接至系统中的其他部件。放大器可以在低温下操作，并且可以经由同轴连接器向处理电子器件提供信号，处理电子器件可以在室温下操作。可以存在连接在放大器与处理电子器件之间的附加部件(例如，混合耦接器、循环器、传输线等)。
技术实现思路
本公开的实施方式涉及在电动系统中的可以无线耦合至微波信号并且对微波信号进行操作的基于约瑟夫逊结的频率转换器/放大器(通常称为“转换器”)。在一些实施方式中，转换器可以用于放大一个或更多个微波信号。在一些实现方式中，转换器可以用于无噪声地转换微波信号的频率，尽管其他操作模式也是可能的。在涉及量子信息的一些应用中，可以在高增益下使用转换器来产生被称为双模压缩态(two-modesqueezedstate)的量子态。根据一些实施方式，转换器可以包括连接至多个约瑟夫逊结的天线，多个约瑟夫逊结与天线集成到单个基板上。约瑟夫逊结可以被布置成形成约瑟夫逊结参数转换器(JPC)。转换器可以放置在微波波导腔中或微波腔的结处。在操作中，转换器可以在一个或更多个微波腔中无线耦合至微波并且与微波相互作用，并且经由天线无线发射一个或更多个放大信号，而不需要电动系统中的其他部件与转换器之间的硬线电连接(例如，传输线或引线接合)。无线约瑟夫逊参数转换器的一个优点是它提供了相位不敏感的放大(不依赖于要放大的信号的相位的放大)。此外，可以避免由与硬线连接相关联的寄生电感和电容引起的信号损失和失真，从而可以比传统的放大设备提高信号保真度。一些实施方式涉及用于微波信号的无线转换器，其包括：基板；多个第一约瑟夫逊结，多个第一约瑟夫逊结形成在基板上并连接成环；以及形成在基板上的与环邻近的接地面。无线转换器还可以包括形成在基板上并连接至多个第一约瑟夫逊结的第一天线，并且包括形成在基板上、朝向与第一天线垂直并且连接至多个约瑟夫逊结的第二天线。一些实施方式涉及操作无线转换器的方法。一种操作方法可以包括如下动作：通过形成在基板上并连接成环的第一批多个约瑟夫逊结无线接收第一频率的泵送能量；无线接收来自形成在基板上的第一天线的第二频率的信号；无线接收来自形成在基板上的第二天线的第三频率的空载；以及通过多个约瑟夫逊结将泵送能量转换成第二频率和第三频率以改变信号和/或空载。该方法还可以包括利用第一天线无线发射改变的信号和/或利用第二天线发射改变的空载。结合附图从以下描述可以更全面地理解本教导的前述和其他方面、实现方式、实施方式和特征。附图说明技术人员将理解，本文描述的附图仅用于说明的目的。应当理解，在一些实例中，实施方式的各个方面可以被夸大或放大，以便于理解实施方式。在附图中，贯穿附图相同的附图标记通常指代相同的特征、功能上类似的和/或结构上类似的元件。附图不一定按比例绘制，而是重点放在说明教导的原理。在附图涉及集成装置的微细加工的情况下，仅示出可以并行制造的大量多个器件中的仅一个装置。对附图做出的方向性参考(顶部、底部、之上、之下等)仅仅旨在对读者的辅助。在实施方式中，设备可以以任意合适的方式取向。附图并不旨在以任何方式限制本教导的范围。图1描绘了根据一些实施方式的可以在其中使用转换器的电动系统；图2A描绘了根据一些实施方式的微波频率转换器/放大器系统；图2B描绘了根据一些实施方式的微波频率转换器/放大器系统；图3描绘了根据一些实施方式的用于将转换器系统的有源电路安装在两个微波腔之间的安装板；图4A描绘了根据一些实施方式的用于微波转换器的有源电路的元件；图4B是有源电路的元件的与图4A中的切割线对应的截面图；图4C描绘了根据一些实施方式的用于微波转换器的有源电路的参考电位平面；图4D描绘了根据一些实施方式的用于微波转换器的有源电路的元件；图5A描绘了根据一些实施方式的转换器电路的元件；图5B是转换器电路的元件的与图5A中的切割线对应的截面图；图6是根据一些实施方式的与微波转换器的有源电路对应的电路示意图；图7示出了用于微波转换器的有源电路和对于不同空载天线长度的振荡器Q值的计算结果；图8A是微细加工的无线约瑟夫逊参数有源电路的元件的放大图像；图8B是微细加工的无线约瑟夫逊参数有源电路的元件的放大图像，其示出了设备中心处的约瑟夫逊结转换器电路的进一步细节；图9A示出了在信号频率下的作为无线转换器的频率的函数的测量增益值；图9B示出了在空载频率下的作为无线转换器的频率的函数的测量增益值；图10示出了指示用于无线转换器的不同饱和功率点和动态范围的增益饱和曲线；图11示出了用于无线转换器的信号频率的可调频率放大；图12A示出了用于无线转换器的信号频率的扫频调曲线；图12B示出了用于无线转换器的空载频率的扫频调曲线；图13描绘了根据一些实施方式的用于操作无线转换器的方法的动作；以及图14描绘了根据一些实施方式的用于操作无线转换器以纠缠量子位的方法的动作。从下面结合附图的详细描述中，实施方式的特征和优点将变得更加明显。具体实施方式通过介绍，量子信息处理使用诸如能量量子化、叠加和纠缠的量子力学现象，以常规信息处理中未利用的方式对信息进行编码和处理。例如，可以在多个量子位上对要解决的问题的初始状态进行编码。计算可能涉及根据量子力学规则对量子位的操纵和相互作用。可以读取量子位的最终状态以确定问题的解。使用量子计算而不是常规的经典计算可以显著更快地解决一些计算问题(最应注意的是，破解加密代码和复杂多状态系统的演进)。术语“量子位”用于量子信息处理领域以指代编码信息本身(即量子比特)，并且也用于指保持信息的物理系统。量子位可以由具有至少两个正交状态的任何物理量子力学系统形成。用于对信息进行编码的状态被称为“计算基础”。例如，光子偏振、电子自旋和核自旋是可用作量子位来对量子信息处理的信息进行编码的二能级物理系统的示例。量子位的不同物理实现具有不同的优点和缺点。例如，虽然光子偏振受益于长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于微波信号的无线转换器，包括：基板；多个第一约瑟夫逊结，所述多个第一约瑟夫逊结形成在所述基板上并连接成环；形成在所述基板上的与所述环邻近的接地面；第一天线，所述第一天线形成在所述基板上并连接至所述多个第一约瑟夫逊结；以及第二天线，所述第二天线形成在所述基板上，朝向与所述第一天线垂直并且连接至所述多个第一约瑟夫逊结。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.17 US 62/149,4191.一种用于微波信号的无线转换器，包括：基板；多个第一约瑟夫逊结，所述多个第一约瑟夫逊结形成在所述基板上并连接成环；形成在所述基板上的与所述环邻近的接地面；第一天线，所述第一天线形成在所述基板上并连接至所述多个第一约瑟夫逊结；以及第二天线，所述第二天线形成在所述基板上，朝向与所述第一天线垂直并且连接至所述多个第一约瑟夫逊结。2.根据权利要求1所述的无线转换器，其中，所述转换器被配置成接收第一频率的泵送能量，所述第一天线的尺寸被设定成与第二频率的电磁能耦合，并且所述第二天线的尺寸被设定成与不同于所述第二频率的第三频率的电磁能耦合，并且其中，所述第一频率基本上等于所述第二频率和所述第三频率之和，或者所述第二频率和所述第三频率之差。3.根据权利要求1或2所述的无线转换器，其中，所述第一天线的第一半部连接至所述环的第一边上的两个约瑟夫逊结之间的第一节点，并且所述第一天线的第二半部连接至所述环的第二边上的两个约瑟夫逊结之间的第二节点；并且所述第二天线的第一半部连接至所述环的第三边上的两个约瑟夫逊结之间的第三节点，并且所述第二天线的第二半部连接至所述环的第四边上的两个约瑟夫逊结之间的第四节点。4.根据权利要求1或2所述的无线转换器，其中，所述多个第一约瑟夫逊结被布置成形成约瑟夫逊参数转换器。5.根据权利要求4所述的无线转换器，其中，所述转换器能够在约400MHz宽的可调频率范围内提供20dB的增益。6.根据权利要求4所述的无线转换器，其中，所述转换器能够提供约25dB的增益，其中在约-140dBm至约-120dBm之间的值处出现约1dB的压缩。7.根据权利要求1所述的无线转换器，还包括：第一电容器，所述第一电容器连接至所述第一天线的第一半部与所述环之间的第一节点；第二电容器，所述第二电容器连接至所述第一天线的第二半部与所述环之间的第二节点；第三电容器，所述第三电容器连接至所述第二天线的第一半部与所述环之间的第三节点；以及第四电容器，所述第四电容器连接至所述第二天线的第二半部与所述环之间的第四节点。8.根据权利要求7所述的无线转换器，其中，所述第一电容器至所述第四电容器包括形成在所述基板上的平行板电容器。9.根据权利要求7所述的无线转换器，其中，所述第一电容器至所述第四电容器包括形成在所述基板上的叉指电容器。10.根据权利要求7所述的无线转换器，其中，所述第一电容器和所述第二电容器具有基本上相同的第一电容，并且所述第三电容器和所述第四电容器具有基本相同的第二电容，所述第二电容与所述第一电容不同。11.根据权利要求7所述的无线转换器，其中，所述第一电容器至所述第四电容器至少部分地由用于形成所述多个第一约瑟夫逊结的同一材料层形成。12.根据权利要求11所述的无线转换器，其中，所述同一材料层形成所述第一天线和所述第二天线。13.根据权利要求11所述的无线转换器，其中，所述同一材料层支持超导性。14.根据权利要求7、8和10至13...

【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