[发明专利]无线约瑟夫逊参数转换器

说明书

政府资助

本发明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。政府对发明有一定的权利。

相关申请

本申请要求于2015年4月17日提交的题为“Wireless Josephson Parametric Converter”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)。

发明内容

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-mode squeezed state)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