[发明专利]基于约瑟夫逊结的循环器以及相关系统和方法

说明书

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“Integrated Directional Amplifiers and Circulators”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。

技术领域

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。

背景技术

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)。

发明内容

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。