基于约瑟夫逊结的循环器以及相关系统和方法与流程

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“integrateddirectionalamplifiersandcirculators”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。

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)。

技术实现要素：

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。

根据一些实施方式，每个输入泵送信号各自具有不同的频率。

根据一些实施方式，第一输入泵送信号被输入至所述多个端口中的第一端口，第二输入泵送信号被输入至所述多个端口中的第二端口，并且第三输入泵送信号被输入至所述多个端口中的第三端口，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，并且第一输入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，第二输入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，并且第三输入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，并且第一输入泵送信号的相位加上第二输入泵送信号的相位减去第三输入泵送信号的相位等于π/2的奇整数倍。

根据一些实施方式，第一输入泵送信号的相位加上第二输入泵送信号的相位减去第三输入泵送信号的相位等于-π/2的奇整数倍，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。

附图说明

将参照以下附图来描述各个方面和实施方式。应当理解的是，附图不一定按照比例绘制。在附图中，各图所示的每个相同或几乎相同的部件用相同的附图标记来表示。为了清楚起见，并非在每个图中标记了每个部件。

图1是根据一些实施方式的集成循环器/放大器电路的框图；

图2a是根据一些实施方式的具有三个端口和四个谐振器的集成循环器/放大器电路的框图；

图2b示出了根据一些实施方式的图2a的电路的三个正交谐振模式的空间激励方式；

图3a示出了根据一些实施方式的对图2a的电路的端口进行泵送以产生其他两个端口之间的转换；

图3b示出了根据一些实施方式的对图2a的电路的端口进行泵送以产生其他两个端口之间的增益；

图4示出了根据一些实施方式的图2a的电路可以被泵送以产生转换功能与增益功能的组合的各种方式；

图5a至图5c示出了根据一些实施方式的图2a的电路作为可逆循环器的操作；以及

图6a至图6d示出了根据一些实施方式的图2a的电路作为定向放大器的操作。

具体实施方式

量子系统的测量通常需要使用仅包含若干光子的信号来探测量子系统。以高保真度测量这样弱的信号通常需要高增益、低噪声的放大器链。另外，循环器通常用于控制量子系统周围的能量流动。如上所述，循环器具有多个端口，所述多个端口可以按顺序操作，使得到达一个端口处的输入信号按顺序从下一端口输出。

然而，当在量子电路中使用时，这样的循环器和放大器通常产生不可接受的水平的噪声。即使使信噪比仅降低1db的相对无噪声的放大器或循环器也可能导致信号功率降低25％。对于量子电路的低功率状况，对电路而言这样的衰减可能太大而不能按预期运行。虽然量子噪声对可以实现的噪声量设置了下限，但是理想的循环器或放大器将仅受量子噪声限制(有时称为被“量子限制”)。

用于量子电路的最广泛选择的放大器是超导参数放大器，有时称为“参数放大器”。然而，标准的参数放大器设计不是定向的，相反，在反射中放大并且需要外部循环器来分离进入信号和发出信号。此外，市售的循环器通常依赖于铁氧体和/或永磁体来区分沿不同方向传播的极化波。这样的材料往往体积大，从而限制了使用它们的电路的可扩展性(scalability)。另外，它们的磁性会使它们与电路内的超导元件(例如量子比特)不相容，并且由于它们的插入损耗，它们可能对电路中的信号添加噪声。

本发明人已经认识到并且意识到可以通过激励以耦接至多个谐振器的约瑟夫逊结的回路为特征的电路的所选择的谐振模式来产生循环器。在一些实施方式中，相同的装置还可以通过仅改变用于激励谐振模式的一个或更多个泵送输入的频率和相对相位而作为定向放大器来操作。此外，在一些实施方式中，可以仅通过改变泵送输入的相对相位来切换循环器功能的定向性。

本文描述的集成装置可以用量子比特装置制造在芯片上，原因是它避免了商业循环器中使用的体积大的磁偏置铁氧体材料。在一些实现中，当用作循环器时，装置可以通过在光从一个端口传递到另一端口时保持光的量子状态而不添加噪声；而在一些实现中，当用作放大器时，装置可以产生为量子限制的噪声。

以下是与集成的可逆循环器和定向放大器的实施方式相关的各种概念的更详细的描述。应当理解的是，本文描述的各个方面可以以许多方式中的任何方式来实现。仅出于说明目的，本文提供了具体实现的示例。另外，以下实施方式中描述的各个方面可以单独使用或以任何组合使用，并且不限于本文明确描述的组合。

图1是根据一些实施方式的集成循环器/放大器电路的框图。尽管除了循环器或放大器之外的附加操作模式不一定被下面的描述排除，但是图1所示的电路100可以由控制器和信号源105进行操作以执行为循环器或定向放大器。电路100还包括多个端口110、为谐振器130中的一个或更多个规定端口的路线的分枝电路120以及围绕其设置了多个约瑟夫逊结140且散布有到谐振器130的连接的电路回路150。磁通φ被引导通过回路150的内部，其可以由合适的磁性部件(未示出)生成。

在图1的示例中，可以存在一个或更多个参数处理，其包括经由回路150和约瑟夫逊结140a、140b、...、140n耦接在一起的谐振器130a、130b、...、130n内的驻立电磁模式(standingelectromagneticmode)之间的一个或更多个2体(2-body)相互作用。根据一些实施方式，驻立电磁模式可以在电磁频谱的微波区域内。如下所述，可以使用激励这些谐振模式的输入信号来将装置操作为例如循环器或放大器。

尽管在图1中将电路100描绘为具有特定物理布局，但是并不意在将电路100限制于这样的配置。相反，图1仅旨在表明电路100的部件如何彼此连接，并且通常可以以任何合适的方式布置部件。在一些实施方式中，优选地，电路100的一些部件以特定方式布置，下面描述了其示例。

控制器和信号源105为端口110a、110b、110c、...、110n中的任何一个或更多个提供包括一个或更多个信号的输入能量。通常，电路100可以包括任何数字输入端口，并且当示出四个输入端口时，端口的数目可以比四少。虽然循环器通常具有至少三个端口，但是在一些实施方式中，系统100还可以用两个端口来实现以用作隔离器，尽管通常在电路100中优选地至少有三个端口以提供循环器功能——也就是说，使得至一个端口的输入信号按顺序从下一端口输出。例如，在图1的示例中，当电路100用作循环器时：输入至端口110a的输入信号可以从端口110b输出，输入至端口110b的输入信号可以从端口110c输出，…，并且输入至端口110n的输入信号可以从端口110a输出。

在图1的示例中，控制器和信号源105可以选择要提供给端口110a、110b、110c、...、110n的一个或更多个输入信号的频率、相位和幅度的任何组合。控制器和信号源105可以提供选择输入信号频率、相位和幅度的特定值，并且选择将具有所选择的频率、相位和幅度的输入信号应该提供给的端口，以使电路100执行循环器或放大器功能。由控制器和信号源105提供给端口以激励电路100执行循环器、放大器或其它合适功能的输入信号在此统称为“泵送信号”。

输入至端口的输入信号可以包括激励电路100的模式之一的谐振频率的泵送信号，并且还可以包括源自电路100耦接(未示出)且被提供为输入使得电路100可以对(一个或多个)这样的信息信号执行循环功能和/或放大器功能的电路的一个或更多个信息信号。例如，端口110a、110b、110c、...、110n中的一个或更多个可以接收输入泵送信号以激励电路的谐振，使得电路100被配置成用作循环器。如上所述，同时或随后，输入至端口(其可以或可以不包括应用了泵送信号的端口)中的一个的信息信号可以按循环顺序从下一端口输出。

不论哪些输入信号被提供至端口，每个端口经由分枝电路120耦接至谐振器130a、130b、...、130n中的一个或更多个，所述分枝电路120为所耦接的一个或更多个谐振器规定每个端口路线并且可以另外提供沿着这样的路由路径的电路部件。

根据一些实施方式，分枝电路120包括一个或更多个部件，其在信号的相位调整版本提供给谐振器130a、130b、...、130n之一之前调整提供给端口110a、110b、110c、...、110n之一的信号的相位。例如，信号的相位可以被调整一些固定量例如π、π/2、π/4等。在一些情况下，输入信号的相位调整版本可以被提供至谐振器130a、130b、...、130n中的第一谐振器，并且另外，可以将同一输入信号的非相位调整版本提供至谐振器130a、130b、...、130n中的不同谐振器。这样的方法可以有助于激励电路100的谐振频率，原因是它可以允许特定频率下的泵送信号同时被提供至具有不同相位的两个不同谐振器。

谐振器130a、130b、...、130n可以具有相同或不同的尺寸，并且可以是例如超导谐振器(例如传输线谐振器)。根据一些实施方式，一个或更多个谐振器可以电容性地耦接至分枝电路120。在一些实施方式中，谐振器130a、130b、...、130n是四分之一波谐振器或半波谐振器。在一些实施方式中，谐振器130a、130b、...、130n是四分之一波微波谐振器。

根据一些实施方式，谐振器130a、130b、...、130n可以彼此靠近地布置，使得在这样的谐振器内通过的信号在彼此之间引起谐振效应。例如，两个四分之一波谐振器可以彼此靠近且端对端设置，使得它们在功能上相当于半波谐振器。应当理解的是，制造术语在谐振器130a、130b、...、130n仅由正在类似于多个nλ/2谐振器的两倍进行操作的多个nλ谐振器(其中，n是任意值(如0.5))组成的情况下可能存在边际差异。因此，在图1的示例的精神和范围内，谐振器130a、130b、...、130n表示这样的布置。

根据一些实施方式，约瑟夫逊结140a、140b、...、140n可以围绕回路150等距地布置。回路150可以具有任何形状，并且不限于图1所示的形状。例如，回路150可以被布置为正方形、矩形、圆形、椭圆形或任何其它合适的形状。如所示的，谐振器130a、130b、...、130n被布置成在约瑟夫逊结140a、140b、...、140n的相邻对之间耦接至回路。虽然这样的布置可能有益于在谐振器之间布置适当的耦接器，但是应当理解的是，只要提供了谐振器之间的适当的耦接器，就可以在电路回路150内设置附加的约瑟夫逊结。

图2a是根据一些实施方式的集成循环器/放大器电路的框图。图2a所示的电路200是图1中描绘的更一般的电路的具有三个端口和四个谐振器的具体示例。如下面进一步描述的，图2b示出了电路200的三个正交谐振模式的空间激励方式。

在图2a的示例中，三个端口211、212和213也分别被标记(并且在本文中被称为)为端口a、b和c。三个端口经由180°混合器单元221、222和223中的一个或更多个耦接至谐振器231、232、233和234。谐振器围绕回路250耦接，在回路250中，四个约瑟夫逊结等距地布置并散布在四个谐振器之间。磁通φ被引导通过回路250的内部，这可以由合适的磁性部件(未示出)生成。例如，φ可以等于磁通量子的一半。在图2a的示例中，谐振器231至234中的每一个经由电容器耦接至180°混合器单元221、222。

180°混合器单元221、222和223是以下装置：当通过和端口(在图2a中标记为“σ”)馈送输入时，该装置输出两个相等幅度的同相信号；以及当通过差端口(在图2a中标记为“δ”)馈送输入时，该装置输出两个相等幅度的180°异相信号。相反，当通过图2a中的标记为“c”和“d”的端口输入信号时，这些信号将在和端口(σ)处输出为和以及在差端口(δ)处输出为两个信号的差。在电路200中使用这些装置来准备相移版本的泵送信号以激励谐振模式，虽然通常可以使用用于执行这样的任务的任何合适的装置来代替180°混合装置。

根据一些实施方式，谐振器231、232、233和234可以各自是四分之一波谐振器。根据一些实施方式，谐振器231、232、233和234可以是一对交叉(crossed)谐振器。例如，谐振器231和233可以是由回路250和约瑟夫逊结交叉的第一谐振器，并且谐振器232和234可以是由回路和约瑟夫逊结交叉的第二谐振器。例如，回路250可以嵌入在两个谐振器的中心电流波腹处。根据一些实施方式，两个这样的谐振器可以各自是半波谐振器，使得231、232、233和234各自分别有效地用作四分之一波谐振器。

图2b示出了现在结合图2a描述的电路200的三个正交谐振模式的空间激励方式。在下面的讨论中，假设谐振器231、232、233和234是两个首先由232和234形成且然后由231和233形成的分别具有有着频率ωa和ωb的谐振模式的交叉谐振器。

图2b所示的第一模式250可以通过向图2a所示的端口a(211)中提供输入泵送信号来激励。输入泵送信号在差端口处进入180°混合器222，从而被输出至两个谐振器232和234，其中，这些输出中的每一个彼此相位相差180°。该相位差在图2b中示出，图2b描绘了正方形的回路250，其中，使用“+”和“-”符号来描绘到回路周围的相应位置处的谐振器的输入的相对相位。出于当前讨论的目的，只要相位之间存在180°的差，则使用任何特定的绝对相位值来激励任何模式(包括该第一模式——此后其将被称为“a模式”)是不重要的。图2b中所示的“+”符号和“-”符号因此是任意的，并且仅旨在示出到回路250周围的各个位置处的谐振器的输入之间的相对相位差。为了激励“a模式”的电路200，输入至端口211的泵送信号可以位于由谐振器232和234形成的谐振器的谐振频率ωa处。

图2b所示的第二模式260可以通过向图2a所示的端口b(212)中提供输入泵送信号来激励。输入泵送信号进入差端口处的180°混合器221，从而被输出至两个谐振器231和233，其中，这些输出中的每一个彼此相位相差180°。该相位差在图2b中示出，图2b描绘了正方形回路250，其中，使用“+”和“-”符号来描绘到回路周围的相应位置处的谐振器的输入的相对相位。如上所述，这些符号旨在表达相对相位而不是绝对相位。为了激励电路200的该“b模式”，输入至端口212的泵送信号可以位于由谐振器231和233形成的谐振器的谐振频率ωb处。

图2b所示的第三模式270可以通过以两个其他谐振模式(即以ωa和ωb的共模)的共模频率向图2a所示的端口c(212)中提供输入泵送信号来激励。此后将该共模频率称为ωc。输入泵送信号进入差端口处的180°混合器223，从而被输出至它们各自的和端口处的180°混合器221和180°混合器222。因此，180°混合器221向谐振器231和233输出相同的信号，而180°混合器222也向谐振器232和234输出相同的信号，而由于180°混合器223的功能，输出至谐振器231和233的信号相对于输出至谐振器232和234的信号相位相差180°。该相位差在图2b中示出，图2b示出了四个谐振器270的相对相位。

本发明人已经认识到并且意识到电路诸如图1所示的电路100或图2所示的电路200可以非谐振地泵送以便将电路的模式耦接在一起，以产生与例如循环器或放大器相关联的功能。

如上面关于图2a至图2b的示例所讨论的，可以通过以特定频率(分别为端口a、b或c处的ωa、ωb或ωc)提供泵送输入来激励电路200的三个谐振模式中的每一个。下面讨论的示例实施方式示出了如何对来自那些谐振频率中的不同的频率处的端口进行泵送，但是基于至少一些模式的谐振频率的频率可以允许在电路200的端口之间执行增益功能或转换功能。这些增益功能和转换功能可以以合适的方式组合，使得电路200执行为例如循环器或定向放大器，尽管使用相同的电路并且通过向端口提供合适的泵送输入，其他功能也是可以的。

图3a示出了根据一些实施方式的对图2a的电路的一个端口进行泵送以产生其它剩余端口之间的转换。在图3a的示例中，图2a的端口c(213)以等于两个其它端口a(211)和b(212)的谐振频率之差的频率被泵送。也就是说，端口c以频率被泵送。这导致端口a与端口b之间的转换处理，其中，入射信号(以系数)被反射或者以系数被传输。以这种方式通过装置被传输的信号经历取决于泵送相位的非相互移动(其中，泵送相位在图中被标记为φp)。

图3a中的图300示出了通过该转换操作产生的散射矩阵的图形表示。在图3a的示例中，图310示出了相对于探测频率绘制的散射矩阵sbb的b-＞b分量。如所示的，在频率ωb(在该示例中，其约等于5.25ghz)处存在下降，其中，光子已经用由约1-c＝-18db给出的转换系数c从ωb上转换为ωa。

尽管图3a的示例示出了通过端口c的适当泵送在端口a与端口b之间的转换，类似的转换操作也可以通过在端口a和端口b处的泵送来执行。也就是说，通过以频率在端口a处泵送，可以引起端口b与端口c之间的转换；以及通过以频率在端口b处泵送，可以引起端口c与端口a之间的转换。

图3b示出了根据一些实施方式的对图2a的电路的端口进行泵送以在其它两个端口之间产生增益。在图3b的示例中，图2a的端口b(212)以等于两个其它端口a(211)和c(213)的谐振频率之和的频率被泵送。也就是说，端口b以频率被泵送。这导致端口a与端口c之间的增益处理，其中，入射信号在电压增益的反射中被放大或者与取决于泵送相位的非相互相位移动φp一起以增益被传输。入射在一个端口上的信号可以与来自另一端口的放大的真空涨落进行组合，从而实现相位保持放大。由于放大处理的对称性，可以从任一输出端口收集放大的信号。

图3b中的图350示出了由该增益操作产生的散射矩阵的图形表示。在图3b的示例中，图360示出了相对于探测频率绘制的散射矩阵saa的a-＞a分量。如所示的，在频率ωa(在该示例中，其约等于9.15ghz)处存在最高点，其中，光子已经被放大。

尽管图3b的示例示出了通过端口b的适当泵送在端口a与端口c处的增益，但是类似的增益操作也可以通过在端口a和端口c处泵送来执行。也就是说，通过以频率在端口a处泵送，可以引起端口b与端口c处的增益；以及通过以频率在端口b处泵送，可以引起端口c与端口a处的增益。

在图3a至图3b的示例中，将具有频率ωa和ωb的谐振模式采用为分别具有能量衰减率κa、κb。在图3a所示的转换处理中，如果泵送频率与c模式的任何谐波充分失谐，那么泵送可以被近似为经典驱动，并且相互作用汉密尔顿函数(hamiltonian)可以写作：

其中，和a以及和b是它们各自的模式a和b的创建算符和湮没算符(annihilationoperator)；gab是取决于泵送功率的耦合；以及φp是泵送相位。于是转换处理的特征在于零失谐时的转换系数：

其值的范围为0(无转换)到1(当时全转换)。

类似地，在图3b所示的增益处理中，相互作用汉密尔顿函数可以写作：

于是可以将零失谐时所得到的放大处理的增益写为对于|gab|²→κaκb，实现了高增益。

根据上述描述，清楚的是，图2所示的说明性电路200中的三个端口中的至少一个端口都可以以两种方式中的一种或两种被泵送。也就是说，可以根据上述转换处理来泵送每个端口和/或根据上述增益处理来泵送每个端口。由于两个处理都利用在每个端口处通常不同的泵送频率，所以它们通常彼此兼容并且理论上可以同时应用。图4示出了根据一些实施方式的图2a的电路可以被泵送以产生转换功能和增益功能的组合的各种方式。

本发明人已经认识到并且意识到，电路如电路200可以使用上述转换操作的适当组合进行操作以使电路用作循环器。如上所述，尽管当电路作为端口之间的转换器被激励时，能量可以在这些端口之间的两个方向上流动(从而可能创建不止循环器的与具有频率变换的回转器类似的装置)，本发明人已经认识到通过适当地调谐至电路的泵送输入的相位和频率，装置可以仍然用作可逆循环器。现在将描述关于图2a的说明性电路的这种泵送配置。

图5a至图5c示出了根据一些实施方式的图2a的电路作为可逆循环器的操作。可以通过在上述“转换模式”中——也就是说，以等于其它两个端口的谐振频率之差的频率(和)且端口a、端口b和端口c处的三个泵送信号分别具有相位φa、φb和φc——泵送三个端口中的至少一个来将图2所示的电路200操作为循环器。特别地，如果或者其奇整数倍，则电路200将用作循环器。

在理想情况下，循环器500使用将各自单独地实现完全转换(c＝1)的三个转换处理。当信号在装置周围传播时，发生正干扰或负干扰，它们的相位受控制，担任常规循环器中的磁场的角色在此被认为像标准通量(gaugeflux)一样起作用。根据一些实施方式，图5a的三个泵送信号的幅度(功率)是彼此相等的或基本相等的。

如图5b所示，对于创建具有顺时针循环的匹配循环器。通常，任何奇整数倍的π/2也将产生相同的结果(即3π/2、5π/2等)。类似地，如图5c所示，对于创建具有逆时针循环的匹配循环器。通常，任何奇整数倍的-π/2也将产生相同的结果(即-3π/2、-5π/2等)。

应当注意的是，该循环器与基于铁氧体的循环器有些不同，其不同之处在于它对通过其的信号的频率进行变换，但是至少在一些实现中，这可能几乎没有实际价值，由于信号的中心频率可以移动而不会使其信息内容退化。

作为一个非限制示例，ωa＝9.18ghz，ωb＝5.25ghz，ωc＝7.17ghz，并且可以通过在和处进行泵送来操作循环器，使得三个输入泵送信号的相位进行组合，从而使得其中，n是奇整数。可以仅通过改变一个或更多个泵送信号的相位(例如如果φa＝φb＝π/4并且φc＝0)来切换循环器的方向，从而产生顺时针循环器，φc可以被调整为等于-π，从而仅通过改变泵送输入中的仅一个泵送输入的相位来将循环器的方向调整为逆时针方向。

图6a至图6d示出了根据一些实施方式的图2a的电路作为定向放大器的操作。如图6a所示，可以通过对上述“增益模式”下的三个端口以及“转换模式”下的其他端口中的两个端口进行泵送将图2所示的电路200操作为定向放大器。也就是说，两个端口各自以等于另外两个端口的谐振频率之和的频率被泵送，其余端口以等于另外两个端口(例如和)之差的频率被泵送。如果端口a、端口b和端口c处的三个泵送信号分别具有相位φa、φb和φc，则对于用作定向放大器的电路，组合相位等于或者其奇整数倍。根据一些实施方式，三个泵送信号的幅度(功率)是彼此相等的或基本相等的。

如图6b中的图形散射矩阵610所示，与循环器不同，定向放大器在通过装置的信号流动中具有显著的不对称性。定向放大器中的三个端口所起的作用被标记为信号(s)输入、空载(i)输入和真空(v)输入。s端口匹配(无功率反射)，而入射功率则以增益传输至i端口和v端口。入射在i上的真空涨落对与相位保持放大必然相关联的附加放大的量子涨落负责。

图6b中的端口i或端口v可以被认为是定向放大器的输出端。v端口以单位增益通过装置无噪声地且定向地传输至s端口。至少在一些实现中，对于量子限制的放大(将其发送至其他两个输出端口中的任何一个输出端口将使装置的噪声性能退化)以及装置的信息保存性质(将泵送假设为非常艰难，不产生熵)，可能需要这。

在图6a至图6d的示例中，的符号确定哪个物理端口担任s和v的角色，而i保持不变。当在图6a的示例配置中时，端口a担任s的角色，端口b担任v的角色，而当在图6a的示例配置中时，端口a担任v的角色，端口b担任s的角色。

还可以通过改变哪对模式经由转换被链接来重新映射角色，因此通常三个物理端口中的每一个可以担任每个角色。例如，改变图6a中的哪个端口是在转换模式下被泵送的端口以及哪两个端口在增益模式下被泵送将允许产生定向放大器，在该定向放大器中可以选择任何端口来担任v、s或i中的任何一个的角色。由于这样的配置完全基于泵送信号的频率和/或相位，因此可以产生可以在操作期间容易地适应的定向放大器。

此外，显而易见的是，由于相同的电路可以被泵送以用作可逆循环器或定向放大器，所以可以通过改变泵送信号的频率和/或相位容易地从同一电路产生这两种功能。

尽管上述的说明性电路利用了约瑟夫逊结，但是本文描述的技术不一定限于使用约瑟夫逊结或超导谐振器。实际上，也可以在上述电路的类型中设想和使用提供非线性耦接器和其它类型的谐振器的其它类型的装置。

此外，应当理解的是，虽然上面概述了频率与相位之间的数学关系，但是它们旨在表示理想情况并且与这样的关系的微小偏差可以产生与数学上精确的值基本相同的结果。例如，如由上面给出的数学公式暗示的，在泵送频率为例如2ghz的情况下，非常接近2ghz的频率也可以产生即使不相同的有用的结果。例如，在某些情况下，可能期望1980mhz与2020mhz之间的频率产生与2000mhz频率相同或基本相似的结果。因此，出于上述讨论的目的，可以将与理想的数学值相差小于1％的频率和相位视为与所讨论的技术方面的精神一致。

已经描述了本发明的至少一个实施方式的若干方面，应当理解的是，本领域技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。

这样的变更、修改和改进旨在成为本公开内容的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。此外，尽管指出了本发明的优点，但是应当理解的是，并非本文描述的技术的每个实施方式将包括每个所述优点。一些实施方式可以不实现在本文中被描述为有利的任何特征，并且在一些情况下，可以实现一个或更多个所描述的特征以实现另外的实施方式。因此，上述描述和附图仅作为示例。

本发明的各个方面可以单独使用，组合使用，或者以前面所述的实施方式中没有具体讨论的多种布置使用，因此在其应用中不限于前面的描述中阐述的或附图中示出的部件的细节和布置。例如，一个实施方式中描述的方面可以与其他实施方式中描述的各方面以任何方式组合。

此外，本发明可以实现为提供了示例的方法。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造以不同于所示的顺序执行动作的实施方式，其可以包括同时执行即使在说明性实施方式中示出为顺序动作的一些动作。

在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等的顺序术语来修改权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先权、级别高低或顺序或者执行方法的动作的时间顺序，而仅仅用作标记来区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有同一名称的另一要素(要不是使用顺序术语)以区分权利要求要素。

此外，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被视为进行限制。“包括”、“有着”或“具有”、“包含”、“涉及”及本文中其变型的使用意在包括其后列出的项目及其等同物以及附加项目。