使用具有非重叠带宽的级联的多路干涉约瑟夫逊开关切换频率复用的微波信号制造技术

级联的微波开关(级联)包括约瑟夫逊器件的集合，该集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的相应操作带宽，其中不同的操作带宽具有不同的相应中心频率。在来自该集合的第一约瑟夫逊器件和来自该集合的第n约瑟夫逊器件之间形成串联耦合，其中该串联耦合使得处于断开状态的第一约瑟夫逊器件将来自频率复用的微波信号(复用的信号)的第一频率的信号反射回第一约瑟夫逊器件的输入端口，并且使得处于断开状态的第n约瑟夫逊器件将来自复用的信号的第n频率的信号反射回第n约瑟夫逊器件的输入端口。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用具有非重叠带宽的级联的多路干涉约瑟夫逊开关切换频率复用的微波信号
本专利技术总体涉及用于在量子计算中可与超导量子比特一起使用的频率复用的微波光开关的器件、制造方法和制造系统。更具体地说，本专利技术涉及一种用于使用非重叠带宽中的级联的多路干涉约瑟夫逊开关来切换频率复用的微波信号的器件、方法和系统，其中该开关基于非简并三波混频约瑟夫逊器件。
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。IBM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。(IBM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隔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。微波开关是一种当该开关处于闭合(closed)状态时允许微波光波以基本上无损耗的方式通过(透射)并且当该开关处于断开(open)状态时将微波光波反射回(反射)发送器的器件。这里对“开关”的引用是对微波开关的引用。换句话说，开关作为二元微波光桥操作，并且该器件的响应取决于该器件的状态，而与光信号可能试图从哪个方向穿过开关(从端口1到2或从端口2到1)无关。在量子计算中使用开关，用于根据需要允许或不允许微波信号进出量子处理器。基于非简并三波混频约瑟夫逊器件的多路干涉约瑟夫逊开关在下文中简洁且可互换地称为多路干涉约瑟夫逊开关(Multi-PathInterferometricJosephsonSwitch，MPIJSW)。MPIJSW器件可以作为超导量子电路中的微波开关实施。MPIJSW器件可实施为超导量子电路中的微波开关。MPIJSW是方向不可知器件，其操作由耦合到开关的微波驱动器的相位控制。通过以频率转换(无光子增益)模式操作超导非简并三波混频器件，该混频器件可用作MPIJSW的一部分。非简并三波混频器可以是约瑟夫逊参量转换器(JPC)。超导非简并三波混频器具有3个端口，即信号端口(S)，通过其可以输入频率为fs的微波信号，空闲端口(I)，通过其可以输入频率为fI的空闲微波信号，以及泵浦端口(P)，通过其可以输入频率为fp和相位为的微波信号。在一个配置(不失一般性)中，当相对于彼此比较fp、fs和fI时，fI是高频，fp是低频，fs是中频(即，fI>fs>fp)。超导非简并三波混频器的特征在于非简并，因为它具有两种模式，即S和I，它们在空间和频谱上都不同。从空闲端口到信号端口，空闲微波信号以频率f2进入空闲端口，被下变频，并以频率f1离开信号端口。从信号端口到空闲端口，信号微波信号以频率f1进入信号端口，被上变频，并以频率f2离开空闲端口。泵浦微波信号为上变频和下变频提供能量。泵浦频率为fP，其中fP＝fI-fS＝f2-f1。在谐振时，非简并三波混频器(例如JPC)当在无噪声频率转换下操作时满足以下散射矩阵：其中tanh(iθ/2)＝i|ρ|并且ρ和是无量纲泵浦幅度(在0和1之间变化)。作为对非简并三波混频器的修改，并且如本文中进一步认识到的，将根据本文所述的实施例来利用泵浦的相位(对于两个泵浦信号可以表示为和)。由于散射矩阵是幺正的，因此以下关系成立|r|2+|t|2＝1，其中r为反射系数，t为透射参数，t’＝-t*(其中t*为t的共轭)。幺正表示非简并三波混频器保留了相位的能量和相干性。超导非简并三波混频器的频率转换工作点为|r|2＝0,|t|2＝1。在频率转换工作点，没有反射，并且存在频率转换的完全透射。根据说明性实施例，非简本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种级联的微波开关(级联)，包括：/n约瑟夫逊器件的集合，所述集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的相应操作带宽，其中不同的操作带宽具有不同的相应中心频率；和/n串联耦合，所述串联耦合在来自所述集合的第一约瑟夫逊器件和来自所述集合的第n约瑟夫逊器件之间，其中所述串联耦合使得处于断开状态的第一约瑟夫逊器件将来自频率复用的微波信号(复用的信号)的第一频率的信号反射回第一约瑟夫逊器件的输入端口，并且使得处于断开状态的第n约瑟夫逊器件将来自所述复用的信号的第n频率的信号反射回第n约瑟夫逊器件的输入端口。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171201 US 15/829,1381.一种级联的微波开关(级联)，包括：
约瑟夫逊器件的集合，所述集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的相应操作带宽，其中不同的操作带宽具有不同的相应中心频率；和
串联耦合，所述串联耦合在来自所述集合的第一约瑟夫逊器件和来自所述集合的第n约瑟夫逊器件之间，其中所述串联耦合使得处于断开状态的第一约瑟夫逊器件将来自频率复用的微波信号(复用的信号)的第一频率的信号反射回第一约瑟夫逊器件的输入端口，并且使得处于断开状态的第n约瑟夫逊器件将来自所述复用的信号的第n频率的信号反射回第n约瑟夫逊器件的输入端口。


2.根据权利要求1所述的级联，还包括：
来自所述集合的、所述串联耦合中的第(n-1)约瑟夫逊器件，其中n大于1，其中第(n-1)约瑟夫逊器件被包括在第一约瑟夫逊器件和第n约瑟夫逊器件之间的所述串联耦合中，并且其中处于断开状态的第(n-1)约瑟夫逊器件将来自所述复用的信号的(n-1)频率的信号反射回第(n-1)约瑟夫逊器件的输入端口。


3.根据权利要求1所述的级联，
其中所述串联耦合使得处于闭合状态的第一约瑟夫逊器件通过所述串联耦合透射来自所述复用的信号的第n频率的信号，并且使得处于断开状态的第n约瑟夫逊器件通过所述串联透射第一频率的信号。


4.根据权利要求1所述的级联，
其中所述串联耦合使得当闭合时的第一约瑟夫逊器件和当闭合时的第n约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的任何方向上传播来自所述复用的信号的所有频率的信号，其中所述复用的信号包括除了第一频率和第n频率之外的频率。


5.根据权利要求1所述的级联，
其中对应于第一约瑟夫逊器件的微波频率的第一操作带宽对于至少一些频率与对应于第n约瑟夫逊器件的微波频率的操作带宽不重叠。


6.根据权利要求5所述的级联，
其中所述级联的总切换带宽包括第一操作带宽和第n操作带宽。


7.根据权利要求1所述的级联，其中所述约瑟夫逊器件的集合中的第一约瑟夫逊器件是MPIJSW，包括：
第一非简并微波混频器器件(第一混频器)；
第二非简并微波混频器器件(第二混合器)；
第一输入/输出(I/O)端口，其耦合到第一混频器的输入端口和第二混频器的输入端口；和
第二I/O端口，其耦合到第一混频器的输入端口和第二混频器的输入端口，其中当所述MPIJSW闭合时，在第一I/O端口和第二I/O端口之间传送的第一频率的信号当在通过第一混频器和第二混频器的、第一I/O端口和第二I/O端口之间的任一方向上传播时被透射，并且其中第一频率在第一约瑟夫逊器件的第一操作带宽中。


8.根据权利要求7所述的级联，还包括：
第一微波泵浦，其以泵浦频率和第一泵浦相位将第一微波驱动注入第一混频器，其中第一微波泵浦被配置为使得第一混频器在频率转换工作点操作；以及
第二微波泵浦，其以所述泵浦频率和第二泵浦相位将第二微波驱动注入第二混频器，其中第二微波泵浦被配置为使得第二混频器在所述频率转换工作点操作。


9.根据权利要求7所述的级联，其中第一混频器和第二混频器各自为非简并三波混频器。


10.根据权利要求7所述的级联，其中第一混频器和第二混频器各自为约瑟夫逊参量转换器(JPC)，并且其中第一混频器和第二混频器名义上是相同的。


11.一种形成级联的微波开关(级联)的方法，所述方法包括：
制造约瑟夫逊器件的集合，所述集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的相应操作带宽，其中不同的操作带宽具有不同的相应中心频率；和
在来自所述集合的...

【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