基于非简并三波混频约瑟夫逊器件的多路径干涉约瑟夫逊隔离器制造技术

一种微波隔离器器件，包括两个非简并微波混频器器件，每个混频器被配置为经由第一端口接收输入频率的微波输入，并且在第二端口生成空闲频率的空闲信号。两个混频器的第二端口耦合在一起。第一输入/输出端口耦合到两个混频器的第一端口，并且第二I/O端口也耦合到两个混频器的第一端口。在第一I/O端口和第二I/O端口之间传送的微波信号(信号)当沿第一I/O端口到第二I/O端口之间的第一方向通过第一混频器和第二混频器传播时被透射，并且当沿第二I/O端口到第一I/O端口之间的第二方向通过第一混频器和第二混频器传播的同时被阻挡。

Multi path interference Josephson isolator based on non degenerate three wave mixing Josephson device

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于非简并三波混频约瑟夫逊器件的多路径干涉约瑟夫逊隔离器
本专利技术总体上涉及一种在量子计算中可与超导量子比特一起使用的微波光隔离器的器件、制造方法和制造系统。更具体地，本专利技术涉及基于非简并三波混频约瑟夫逊器件的多路径干涉约瑟夫逊隔离器的器件、方法和系统。
技术介绍
在下文中，短语单词中的“Q”前缀表示该单词或短语在量子计算上下文中的引用，除非在使用时明确区分。分子和亚原子粒子遵循量子力学定律，量子力学是物理学的一个分支，探索物理世界如何在最基本的层面上工作。在这个层面上，粒子以奇怪的方式运行，同时呈现出一种以上的状态，并与非常遥远的其他粒子相互作用。量子计算利用这些量子现象来处理信息。我们今天使用的计算机被称为经典计算机(这里也称为“传统”计算机或传统节点或“CN”)。传统计算机使用通过使用半导体材料和技术制造传统的处理器，半导体存储器，以及磁性或固态存储设备，这就是众所周知的冯诺依曼体系结构。特别地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。量子处理器(q-处理器，quantumprocessor)利用纠缠的量子比特器件(在这里简称为“量子比特”，复数“多个量子比特”)的奇特性质来执行计算任务。在量子力学运作的特定领域，物质粒子可以以多种状态存在——诸如“开”状态、“关”状态以及同时“开”和“关”状态。在使用半导体处理器的二进制计算仅限于使用开和关状态(相当于二进制代码中的1和0)的情况下，量子处理器利用物质的这些量子状态来输出可用于数据计算的信号。传统计算机用比特来编码信息。每个比特可以取值1或0。这些1和0充当最终驱动计算机功能的开/关开关。另一方面，量子计算机是基于量子比特的，量子比特根据量子物理学的两个关键原理运作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子比特可以同时代表1和0。纠缠意味着处于叠加的量子比特可以以非经典的方式相互关联；也就是说，一个量子比特的状态(无论是1还是0或者两者都是)取决于另一个量子比特的状态，并且当两个量子比特纠缠在一起时，可以确定的信息比单独处理它们时要多。利用这两个原理，量子比特作为更复杂的信息处理器运行，使量子计算机能够以某种方式运行，从而允许它们解决传统计算机难以解决的难题。已经成功地构建并演示了使用超导量子比特的量子处理器的可操作性。是在美国和其他国家的国际商用机器公司的注册商标。超导量子比特包括约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是通过用非超导材料分离两个薄膜超导金属层而形成的。当超导层中的金属被变成超导时，例如通过将金属的温度降低到特定的低温温度，电子对可以从一个超导层通过非超导层隧穿到另一超导层。在量子比特中，约瑟夫逊结(其用作分散非线性电感器)与形成非线性微波振荡器的一个或多个电容性器件并联电耦合。振荡器具有由量子比特电路中的电感和电容的值确定的谐振/跃迁频率。对术语“量子比特”的任何引用是对采用约瑟夫逊结的超导量子比特电路的引用，除非在使用时明确地进行区分。由量子比特处理的信息以微波频率范围内的微波信号/光子的形式被携带或传输。捕获、处理和分析微波信号，以便解密在其中编码的量子信息。读出电路是与量子比特耦合的电路，用于捕获、读取和测量量子比特的量子态。读出电路的输出是可由q处理器使用以执行计算的信息。超导量子比特具有两个量子态–|0>和|1>。这两个状态可以是原子的两个能态，例如，超导人工原子(超导量子比特)的基态((|g>)和第一激发态(|e>)。其它示例包括核或电子自旋的自旋向上(spin-up)和自旋向下(spin-down)、晶体缺陷的两个位置和量子点的两个状态。由于系统具有量子性质，因此两个状态的任何组合都是允许的和有效的。为了使用量子比特的量子计算是可靠的，例如量子比特本身、与量子比特相关联的读出电路、以及量子处理器的其它部分，必须不以任何显著的方式改变量子比特的能态，诸如通过注入或耗散能量，或者影响量子比特的|0>与|1>状态之间的相对相位。在利用量子信息操作的任何电路上的这种操作约束需要在制造在这样的电路中使用的半导体和超导结构时的特殊考虑。微波隔离器是一种允许微波光波通过它而在一个方向上没有明显的幅度衰减的器件，并且当试图在相反方向上通过它时禁止或显著衰减微波光波。这里提到的“隔离器”是指微波隔离器。换句话说，隔离器作为微波光门操作，该器件的响应取决于微波光通过该器件传播的方向。隔离器在量子计算中用于引导微波信号以特定的流方向进出量子处理器。示例性实施例认识到，目前使用的商用低温隔离器存在严重问题，极大地限制了它们在量子计算中的适用性和可用性。例如，市场上可买到的低温隔离器尺寸大、重量重、难以热化，使用难以在芯片上制造/集成的铁氧体，并且并入对超导电路有负面影响的磁体。举一些示例，目前可用的低温隔离器的尺寸为8.5厘米(cm)×3.1cm×1.7cm＝45cm3，隔离器的重量为229.5克(g)。用于使隔离器热化的铜支架重183.1克。目前可用的低温循环器的尺寸为4.5cm×3.5cm×1.8cm，重41.2克。一种标准的一个输入一个输出的线路设置，其连接一个量子比特谐振器和一个在反射中工作的量子限制的约瑟夫逊参量放大器(诸如约瑟夫逊参量转换器(Josephsonparametricconverter，JPC))，使用两个循环器和三个隔离器(两个在约瑟夫逊参量放大器之后，以便保护量子比特不受从输出链反射回来的噪声的影响。该设置的体积至少为191.1cm3，重量至少为1.5kg(仅来自循环器和隔离器)。体积计算没有考虑用于热化的铜支架。与量子比特中纳米级约瑟夫逊结相比，这些的尺寸和重量都很大。显然，目前可用的隔离器和循环器不利于在半导体芯片上制造。与有时用于通量偏置某些超导量子系统(诸如通量可调谐量子比特)的毫微微特斯拉(10-15T)级别的磁通量相比，由于并入的磁体产生的磁通量太强。示例性实施例认识到需要更有利于量子计算应用的新隔离器设计。
技术实现思路
示例性实施例提供了一种超导器件及其制造方法和系统。实施例的超导器件包括具有第一端口和第二端口的第一非简并微波混频器器件(第一混频器)，第一混频器被配置为经由第一端口接收输入频率的微波输入，并且还被配置为在第二端口生成空闲频率的空闲信号。该实施例包括具有不同的第一端口和不同的第二端口的第二非简并微波混频器器件(第二混频器)，第二混频器被配置为经由不同的第一端口接收输入频率的微波输入，并且在不同的第二端口生成空闲频率的空闲信号，第二端口耦合到不同的第二端口。该实施例包括耦合到第一端口和不同的第一端口的第一个输入/输出(I/O)端口。该实施例包括耦合到第一端口和不同的第一端口的第二I/O端口，其中在第一I/O端口和第二I/O端口之间传送的微波信号(信号)当沿第一I/O端口到第二I/O端口之间的第一方向通过第一混频器和第二混频器传播时被透射，并且当沿第二I/O端口和第一I/O端口之间的第二方向通过第一混频器和第二混频器传播时被阻挡。因此，该实施例提供了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微波隔离器器件，包括：/n第一非简并微波混频器器件(第一混频器)，具有第一端口和第二端口，所述第一混频器被配置为经由第一端口接收输入频率的微波输入，并且还被配置为在第二端口生成空闲频率的空闲信号；/n第二非简并微波混频器器件(第二混频器)，具有不同的第一端口和不同的第二端口，所述第二混频器被配置为经由不同的第一端口接收所述输入频率的微波输入，并且在不同的第二端口生成所述空闲频率的空闲信号；/n第一个输入/输出(I/O)端口，耦合到所述第一端口和所述不同的第一端口；以及/n第二I/O端口，耦合到所述第一端口和所述不同的第一端口，其中在所述第一I/O端口和所述第二I/O端口之间传送的微波信号(信号)当沿所述第一I/O端口到所述第二I/O端口之间的第一方向通过所述第一混频器和所述第二混频器传播时被透射，并且当沿所述第二I/O端口到第一I/O端口之间的第二方向通过所述第一混频器和所述第二混频器传播时被阻挡。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171030 US 15/797,9291.一种微波隔离器器件，包括：
第一非简并微波混频器器件(第一混频器)，具有第一端口和第二端口，所述第一混频器被配置为经由第一端口接收输入频率的微波输入，并且还被配置为在第二端口生成空闲频率的空闲信号；
第二非简并微波混频器器件(第二混频器)，具有不同的第一端口和不同的第二端口，所述第二混频器被配置为经由不同的第一端口接收所述输入频率的微波输入，并且在不同的第二端口生成所述空闲频率的空闲信号；
第一个输入/输出(I/O)端口，耦合到所述第一端口和所述不同的第一端口；以及
第二I/O端口，耦合到所述第一端口和所述不同的第一端口，其中在所述第一I/O端口和所述第二I/O端口之间传送的微波信号(信号)当沿所述第一I/O端口到所述第二I/O端口之间的第一方向通过所述第一混频器和所述第二混频器传播时被透射，并且当沿所述第二I/O端口到第一I/O端口之间的第二方向通过所述第一混频器和所述第二混频器传播时被阻挡。


2.根据权利要求1所述的微波隔离器器件，还包括：
第一微波泵浦，以泵浦频率和第一泵浦相位将第一微波驱动注入所述第一混频器，其中所述第二端口处的空闲信号的空闲频率取决于所述泵浦频率和所述输入频率；
第二微波泵浦，以所述泵浦频率和第二泵浦相位将第二微波驱动注入所述第二混频器，其中所述不同的第二端口处的空闲信号的空闲频率取决于所述泵浦频率和所述输入频率。


3.根据权利要求2所述的微波隔离器器件，其中，所述第一微波泵浦被配置为导致所述第一混频器在50:50分束工作点操作，并且其中，所述第二微波泵浦被配置为导致所述第二混频器在50:50分束工作点操作。


4.根据权利要求2所述的微波隔离器器件，其中改变所述第一泵浦相位和所述第二泵浦相位之间的差导致所述信号在沿所述第二方向传播时被透射，而在沿第一方向传播时被阻挡。


5.根据权利要求1所述的微波隔离器器件，还包括：
四端口微波混合器件(泵浦混合器)；和
微波泵浦，耦合到所述泵浦混合器，使得所述泵浦混合器的第一输出端口以泵浦频率和第一泵浦相位将第一微波驱动注入所述第一混频器，并且所述泵浦混合器的第二输出端口以所述泵浦频率和第二泵浦相位将第二微波驱动注入所述第二混频器，其中所述泵浦混合器将所述第一微波驱动和所述第二微波驱动之间的相对相位固定为±90度。


6.根据权利要求1所述的微波隔离器器件，其中所述第二端口和所述不同的第二端口经由传输线耦合，所述传输线具有可忽略的能量损耗。


7.根据权利要求1所述的微波隔离器器件，其中所述第二端口和所述不同的第二端口使用耦合组件耦合在一起，其中所述耦合组件引入在所述第一混频器和所述第二混频器之间传播的信号的衰减。


8.根据权利要求1所述的微波隔离器，
其中所述第一混频器的第二端口包括第一馈线和第二馈线，其中所述第二混频器的所述不同的第二端口包括不同的第一馈线和不同的第二馈线，其中所述第二馈线和所述不同的第二馈线经由传输线耦合，所述传输线具有可忽略的能量损失，
其中所述第一馈线耦合到50欧姆端接，并且
其中所述不同的第一馈线耦合到不同的50欧姆端接。


9.根据权利要求1所述的微波隔离器器件，其中，所述第一和第二I/O端口是九十度混合耦合器的一部分，并且所述第一端口和所述不同的第一端口的功能被配置为在所述第一混频器和所述第二混频器中等效。


10.根据权利要求1所述的微波隔离器器件，其中所述第一混频器和所述第二混频器每个都是非简并三波混频器。


11.根据权利要求1所述的微波隔离器器件，其中所述第一混频器和所述第二混频器每个都是约瑟夫逊参量转换器(JPC)，并且其中所述第一混频器和所述第二混频器名义上相同。


12.一种形成微波隔离器器件的方法，所述方法包括：
配置具有第一端口和第二端口的第一非简并微波混频器器件(第一混频器)，所述第一混频器被配置为经由第一端口接收输入频率的微波输入，并且还被配置为在第二端口生成空闲频率的空闲信号；配置具有不同的第一端口和不同的第二端口的第二非简并微波混频器器件(第二混频器)，所述第二混频器被配置为经由不同的第一端口接收所述输入频率的微波输入，并且在不同的第二端口生成所述空闲频率的空闲信号；
将第一输入/输出(I/O)端口耦合到所述第一端口和所述不同的第一端口；以及
将第二I/O端口耦合到所述第一端口和所述不同的第一端口，其中在所述第一I/O端口和所述第二I/O端口之间传送的微波信号(信号)当沿所述第一I/O端口到所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：B阿卜杜，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US