可调谐耗散电路以及在低温下进行频率移位的方法与流程

1.本发明通常涉及电路qed，即电路中的量子电动力学。特别地，本发明涉及可控地改变在打算用于低温电子器件中的电路中传播的射频或微波信号的频率。


背景技术：

2.在低温电子器件中，出于许多目的，需要精确调谐的射频或微波信号，包括但不限于控制电路元件的操作和读取量子处理电路中的量子位状态。属性“低温”是指电子器件的所需操作温度。它例如可以与所涉及的超导体材料的临界温度有关，或者取决于与所涉及的量子电子部件的量子能等级相比的热能等级。准确地改变频率可以涉及例如在中心频率附近执行频率调制或例如在依赖频率复用的系统中提供频率切换。
3.在期望的频率上产生振荡信号的传统方法是使用混频器，但是它们固有缺点是汇产生不想要的边带信号。在低温电子器件中，最重要的电路位于低温冷却的环境中这一事实会带来额外的困难。在周围的室温环境和低温冷却的环境之间传递微波信号比使用低频或dc信号更为复杂，因此如果仅在低温冷却的环境内就可以创建和处理所需的处于微调频率的微波信号，则其将是更加有利的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种在低温冷却的环境内以微调的射频和/或微波频率产生振荡信号的电路和方法。另一个目的是在量子处理电路中将这种信号的产生与改善的集成水平相结合。另一个目的是仅在适度的要求下产生这种信号，以便将硬件在室温和低温冷却的环境之间进行接口连接。
5.通过使用可调谐的耗散电路来实现这些以及其他有利的目的，耗散电路可以如此的方式与振荡信号相互作用，从而引起振荡信号的相位中的连续变化，从而有效地导致相应的频率中的变化，该频率中的变化明确地取决于用于控制可调谐的耗散电路的控制信号(们)。
6.根据第一方面，提供一种可调谐的耗散电路，该耗散电路在低温冷却的环境中用于使得射频信号或微波信号的频率移位。可调谐的耗散电路包括一个或多个耦合器，用于对所述射频信号或微波信号的传播路径进行相应的一个或多个耦合。可调谐的耗散电路还包括通过所述一个或多个耦合器中的至少一个耦合到所述传播路径的可调谐谐振元件，以及通过所述一个或多个耦合器中的至少一个耦合到所述传播路径的可控耗散器元件。提供到所述可调谐谐振元件的第一控制输入，以用于利用耦合到所述第一控制输入的第一控制信号来改变所述可调谐谐振元件的谐振频率。提供到所述可控耗散器元件的第二控制输入，以用于利用耦合到所述第二控制输入的第二控制信号来改变所述可调谐耗散电路的阻尼率。
7.根据一个实施例，可调谐谐振元件和可控耗散器元件是相同的电路元件，其通过所述一个或多个耦合器中的至少一个耦合到所述传播路径。这具有的优点是可以在电路的
基板上以高度优化的部件足迹(footprints)提供非常简洁的实施方式。
8.根据一个实施例，可调谐谐振元件和可控耗散器元件构成串联(series)，其中所述一个或多个耦合器中的一个将可调谐谐振元件耦合到所述传播路径，并且所述一个或多个耦合器中的另一个将可控耗散器元件耦合到所述可调谐谐振元件。这具有的优点是可以分别优化不同电路元件的性能和操作特性，并且可以将先前已知的部件实施方式用作构建块。
9.根据一个实施例，可控耗散器元件包括恒定耗散器和将所述恒定耗散器耦合到可调谐谐振元件的可控耦合器。这具有的优点是可以使电路的耗散器部分变得相对简单。
10.根据一个实施例，所述可调谐谐振元件包括恒定频率谐振部分和具有可调谐的电感或电容的部分的组合。这具有可以利用高度准确和有据可查的调谐方法的优点。
11.根据一个实施例，具有可调谐的电感或电容的所述部分是squid。然后，所述第一控制输入可以包括配置为可控地改变通过所述squid的磁通量的电感器。这具有的优点是可以利用可调谐谐振元件的准确且有据可查的控制方法。
12.根据一个实施例，所述可控耗散器元件包括量子回路制冷器，其包括至少一个正常导体(normal conductor)-绝缘体-超导体结，以下称为nis结。然后，所述第二控制输入可以包括控制电压输入，用于向所述nis结提供偏置电压，以控制光子辅助电子隧穿通过所述nis结的概率。这具有的优点是可以利用可控耗散器元件的准确且有据可查的控制方法。
13.根据一个实施例，可调谐谐振元件和可控耗散器元件是还包括其他电路元件的电路元件网络的一部分，使得所述一个或多个耦合器在可调谐谐振元件、可控耗散器元件和所述其他电路元件之间形成耦合。这具有的优点是可以以非常灵活的方式在低温电子设备中的各种不同种类的电路中利用对射频或微波信号的频率进行调谐的原理。
14.根据第二方面，提供一种量子处理电路，其包括至少一个上述种类的可调谐耗散电路。
15.根据一个实施例，量子处理电路包括可控电路元件，其可控性取决于以下至少一项：信号的频率复用，信号的频率调制。可调谐的耗散电路中的传播路径然后可以去往或来自所述可控电路元件。这具有的优点是可以控制可控电路元件而没有与混频器相关的不利影响。
16.根据第三方面，提供一种用于在低温下进行频移的方法。该方法包括在低温冷却的环境中在传播路径、可调谐谐振元件和可控耗散器元件之间提供耦合。另外，该方法包括使射频信号或微波信号通过所述传播路径，并以显著高于谐振频率和阻尼率的调制幅度的共同调制频率(common modulation frequency)对所述可调谐谐振元件的谐振频率和阻尼率进行循环调制，从而使所述射频信号或微波信号频移。
17.根据一个实施例，对所述可调谐谐振元件的谐振频率的所述调制是通过调制通过形成所述可调谐谐振元件的一部分的squid的磁通量来完成的。这具有的优点是可以利用可调谐谐振元件的准确且有据可查的控制方法。
18.根据一个实施例，通过调制至少一个正常导体-绝缘体-超导体结(以下称为nis结)的偏置电压来完成对阻尼率的所述调制，从而控制光子辅助电子隧穿通过所述nis结的概率。这具有的优点是可以利用可控耗散器元件的准确且有据可查的控制方法。
19.根据一个实施例，通过调制恒定耗散器和可调谐谐振元件之间的耦合强度来完成
对阻尼率的调制。这具有的优点是可以使电路的耗散器部分相对简单。
附图说明
20.包括其以提供对本发明的进一步理解并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与说明书一起帮助解释说明本发明的原理。在图中：
21.图1示出了具有可调谐参数的谐振器中的输入信号、输出信号和第一谐振器模式信号；
22.图2示出了在具有特殊点的系统中，振荡信号的幅度和相位实际测得的参数空间表示；
23.图3示出了使用可调谐耗散电路进行低温移频的第一原理；
24.图4示出了使用可调谐耗散电路进行低温移频的第二原理；
25.图5示出了使用可调谐耗散电路进行低温移频的第三原理；
26.图6示出了可用于低温频移的可调谐耗散电路；
27.图7示出了可用于低温移频的另一个可调谐耗散电路；
28.图8示出了量子处理系统的各个部分。
具体实施方式
29.在图1的示意图中，存在谐振器101的时间相关的、振荡的输入信号b
in
(t)和输出信号b
out
(t)以及谐振器101的第一谐振器模式a(t)。谐振器101的操作参数是可调谐的，因此谐振器可以被称为可调谐谐振器。输入信号b
in
(t)和输出信号b
out
(t)以耦合常数耦合到可调谐谐振器。可调谐谐振器101就其谐振频率和阻尼率而言都是可调谐的，其最后提到的量也可以被称为衰减率，并以1/s为单位表示。
30.科学论文，partanen,m.，goetz,j.，tan,ky，kohvakka,k.，sevriuk,v.，lake,r.e.，kokkoniemi,r.，ikonen,j.，hazra,d.，l.，vesterinen,v.，silveri,m.和m.(2019)：“可调谐超导谐振器中的特殊点(exceptional points in tunable superconducting resonators)”，物理修订版b(phys.rev.b)，100：134505，已经表明，当在参数空间中对像图1中所示的系统的性能进行分析时，可能会观察到所谓的特殊点(except ional points)。通常，可以用散射参数或s参数s
ij
描述任何的线性两端口电网，其中i∈(1，2)以及j∈(1，2)。图1中所示的情况的参数s
21
是b
out
/b
in
的比率。可以通过将所述幅度和相位绘制为可调谐谐的振器101中的谐振频率和阻尼率的函数来研究它如何影响输出信号b
out
(t)的幅度和相位。
31.图2以s
21
的频率平面表示示出实际实验的测得结果。如右侧图例栏中所示。在图2的上部场中，示出了用灰色阴影的暗度编码的参数s
21
的幅度，而下部场是相位的类似图示。水平轴线被标记为以毫伏为单位的电压，反映了以下事实，即在该实验中，使用电压控制的量子制冷机电路来实施阻尼率中的改变。
32.图2中的醒目特征是在每个场的上部中心区域中的水平线形特征的外观。在与线形成的特征交叉的竖直方向上的振幅(在上部场中)和相位(在下部场中)进行急剧变化，但是关于相位必须指出的是，从-pi到+pi的相位变化实际上意味着仅与x-y相图中的负x轴线
交叉。特殊点出现在两个场中线形成的特征的两端处。
33.可调谐谐振器101的理论模型可用于描述其谐振频率和阻尼率的周期性调制将如何影响振幅和相位方面的输入信号b
in
(t)和输出信号b
out
(t)之间的比率。
34.假设是绝热情况，则该系统可用两个量子光学方程(1a)和(1b)来描述：
[0035][0036][0037]
谐振器的参数是总阻尼率γ
∑
和谐振频率ωr。
[0038]
引入谐振频率的sin-形式(正弦形式)的调制和阻尼率的cos-形式(余弦形式)的调制会改变第一个方程，因此在调制情况下，这些方程为：
[0039][0040][0041]
在此，ωm和γm是谐振器参数调制的相应振幅，以及f是调制的频率。使用正弦和余弦形式的调制会在阻尼率调制和谐振频率调制之间产生90度的相位差。在二维参数空间中，这对应于围绕圆形路径在参数空间中表示共振频率和阻尼率的未调制值的点进行重复的回合。所述路径的循环方向仅取决于为谐振频率和阻尼率的正弦和余弦调制选择的符号。
[0042]
输入信号是振荡信号，并且因此可以以形式b
in
(t)＝b
in0eiωt
写入。在这种情况下，我们可以将微分方程2a的解写为：
[0043][0044]
其中c1是任意常数。
[0045]
考虑到图2中的下部场，人们可以通过执行其中ω＝ωr和γ
tr
＝γ
∑
/2的调制来围绕水平特征的右端处的特殊点(参见虚线201)环绕一圈。为简单起见，我们还将调制信号，使得ωm＝γm/2。这样可以将(3)的解重写为：
[0046][0047]
我们还可以假设调制振幅远小于调制频率。该假设允许用相应的泰勒级数的前两项替换方程式(4)中的两个指数函数：
[0048][0049]
积分之后，我们可以选择常数c1，以便解将获得下面的形式：
[0050][0051]
可以忽略方程式(6)中的最后一项，因为它包含(γm/f)2。为了使该解拟合方程式2b，我们将两边都乘以
[0052][0053]
现在可以将这个结果与上面的方程式2b结合起来，并记住γ
tr
＝γ
∑
/2和b
in
(t)＝b
in0eiωt
：
[0054][0055]
也可以按以下形式得出输出信号：
[0056][0057]
这个结果告诉我们，在特殊点(ω＝ωr，γ
tr
＝γ
∑
/2)附近对可调谐谐振器101的
参数进行绝热(f＞＞ωr)调制的情况下，我们有效地以2πf将输出信号的频率增加或降低。符号(增加或减少)取决于围绕特殊点的路径循环的方向。
[0058]
图3示出了利用上文解释说明的现象在低温冷却的环境中射频信号或微波信号的频率移动的原理。所讨论的信号用箭头301表示，并且可以认为它在低温冷却的环境中在传播路径上传播。使用适当种类的耦合器来耦合到传播路径，从而在图3中示出为可控的谐振器和耗散器302的电路元件可能对信号具有频率切换作用。控制输入303可用于改变可控谐振器和耗散器302的特性。特别地，带到控制输入303的一个或多个控制信号可用于改变可控谐振器和耗散器302中的谐振频率和阻尼率。如上面的理论分析所讨论的那样，只要按照以下假设进行循环，就可以在一个共同调制频率处对谐振频率和阻尼率进行循环调制，从而导致所需的频移，所述假设为：例如，共同调制频率显著高于谐振频率和阻尼率的调制幅度。
[0059]
图4示出了一种替代方法，其中存在两种不同的耦合：一种在传播路径与可调谐谐振器401之间，而另一种在可调谐谐振器401与可控耗散器402之间。换言之，可调谐谐振器401与可控耗散器402构成一个串联，其中一个耦合器将可调谐谐振器401耦合到传播路径，而另一个耦合器将可控耗散器402耦合到可调谐谐振器401。提供第一控制输入403用于改变可调谐谐振器401的谐振频率，以及提供第二控制输入404用于改变可控耗散器元件402中的阻尼率。
[0060]
图5示出又一种方法，其中存在如图4中的可调谐谐振器401及其控制输入403，但耗散器501是恒定耗散器，诸如像电阻器。可控耦合器502将恒定耗散器501耦合到可调谐谐振器401。可控耦合器502的控制输入503在图5中示意性地示出。
[0061]
通常，图3至图5表示一种原理，根据该原理，存在一个或多个耦合器，用于分别对信号的传播路径进行一个或多个耦合，该信号可以是射频信号或微波信号。存在一个可调谐谐振元件和一个可控耗散器元件，它们分别通过所述一个或多个耦合器中的至少一个耦合到传播路径。可调谐谐振元件和可控耗散器元件可以是如图4和图5中所示的单独的元件或由其组成，或者它们可以是如图3中的共同元件的功能。存在控制输入，用于改变可调谐谐振元件的谐振频率和可控耗散器元件的阻尼率。这些可能涉及如图4和图5中所示的单独的第一控制输入和第二控制输入，或者第一控制输入和第二控制输入可以是如图3中所示的共同控制输入的功能。
[0062]
图6示出了用于在低温冷却的环境中使得射频信号或微波信号频的可调谐耗散电路的示例中的电路元件。众所周知，可调谐谐振元件可以包括恒定频率谐振部分和具有可调谐的电感或电容的部分的组合。在图6中所示的实施例中，通过提供可调谐谐振器401来应用该原理，该谐振器的部件是恒定谐振频率的谐振器601(诸如像共面波导谐振器)和squid 602。squid 602可以包括被约瑟夫逊结中断的超导环路。
[0063]
对应于第一控制输入403，示出电感器603，其配置为可控地改变通过squid 602的磁通量。实际上，电感器603可以像在squid 602附近延伸的超导线一样简单，因为电流流动通过这样的线路将引起局部磁场，该局部磁场会充分改变通过squid中超导环路的磁通量，从而导致其电感中的所需改变。附加地或替代地，可以使用其他种类的电感器，例如在整个量子处理电路的较大部分或甚至整个低温冷却区域中产生宏观等级磁场的电感器。
[0064]
严格来说，squid对谐波谐振器产生了一些非线性。但是，在这种应用中，只需要在
较窄的范围内调谐可调谐谐振器401的谐振频率即可；也不必强制要求谐振器具有非常高的q因子和/或驱动信号的高功率，因此非线性应该不会导致问题。换言之，由非线性带来的非谐性(an-harmonicity)将足够低，以至于在实践中可以被忽略不计。
[0065]
在图6中所示的实施例中，可控耗散器元件402包括量子回路制冷器，或简称为qcr。qcr是一种电路元件，其包括至少一个正常导体-绝缘体-超导体结，被称为nis结。qcr中的一个或多个这种nis结可能是超导体
–
绝缘体
–
正常导体
–
绝缘体
–
超导体结的一部分，被称为sinis结。第二控制输入404包括控制电压输入，该控制电压输入用于向nis(或sinis)结提供偏置电压，以控制光子辅助电子隧穿通过所述nis(或sinis)结的概率。例如，在公开为ep3398213的专利申请中已经充分描述了这种qcr，该专利申请通过引用并入本文。
[0066]
在图6的实施例中，耦合器604和605是电容耦合器。在这些中，耦合器604在传输线606(即，射频信号或微波信号的传播路径)与可调谐谐振器401之间实现耦合，而耦合器605在可调谐谐振器401与qcr402之间实现进一步的耦合。
[0067]
图7用作提醒，即可调谐谐振元件(可调谐谐振器401)和可控耗散器元件(qcr 402)可以是还包括其他电路元件的电路元件网络的一部分。在这样的电路元件网络中，前面提到的耦合器在网络的可调谐谐振元件、可控耗散器元件和任何其他电路元件之间形成耦合。在图7的示例中，网络中存在一个附加电路元件701，该附加电路元件701通过耦合器702和703在可调谐谐振器401和qcr 402之间耦合。附加电路元件701可以包括例如量子比特和/或谐振器。它可能具有到系统的其他部分的进一步的连接704，系统的其他部分诸如像信号输入，信号输出和量子比特的读出控制线。附加电路元件701可以用作在图5的描述中更早提到的可控耦合器。在这种情况下，位于图7的最下部部分处的qcr可以用恒定耗散器，并且可以省去控制输入404。
[0068]
根据实施例的量子处理电路包括上述至少一种的至少一个可调谐的耗散电路。图8示意性地示出一个示例，其中量子处理电路位于低温冷却的环境801中。量子处理电路包括至少一个可控的电路元件802，其可控性取决于信号的频率多路复用和/或信号的频率调制。这些中的至少一些是由一个或多个可调谐的耗散电路产生的，因此上述的被称为射频信号或微波信号的传播路径的一个或多个示例去往或来自可控电路元件802。可调谐的耗散电路被示为移频器803和804。
[0069]
图8示出了可能来自于其的射频信号或微波信号的两个示例，其中射频信号或微波信号的频率随后被移位。如通过信号发生器805示意性所示，原始射频信号或微波信号可能来自室温环境。作为替代，射频信号或微波信号的起源可以是在低温冷却环境中的信号发生器806。室温环境中的控制系统807被示为向系统的可控制部分提供控制信号。
[0070]
对于本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，可以各种方式来实现本发明的基本构思。因此，本发明及其实施例不限于上述示例，而是它们可以在权利要求的范围内变化。