多模约瑟夫逊参数转换器的制作方法

本发明涉及多模约瑟夫逊参数转换器。

背景技术：

固态量子信息处理方面的最新进展促使在微波领域寻求具有量子限制性能的放大器和变频器。取决于应用于电磁场的单个空间和时间模式的正交的增益，线性放大器可以被分成具有根本不同的噪声特性的两类(相敏和相位保持)。相敏放大器在微波场的一个正交中挤压输入噪声和信号，代价是在另一个正交中使噪声和信号膨胀而不将自己的噪声加到已处理的信号上，但是这仅在量子信息在微波场的一个正交中被编码的情况下是有用的。另一方面，相位保持放大器放大输入噪声和信号的两个正交信号，其代价是在信号频率处至少增加等于半输入光子的噪声。这种放大器在许多量子应用中是有用的，包括量子位读出。一个非退化的本质相位保持超导参数放大器的成功实现是基于约瑟夫逊环调制器，它由惠斯通电桥结构中的四个约瑟夫逊结构成。装置对称性增强了放大过程的纯度，即消除或最小化某些不希望的非线性过程，并且还简化了操作和分析。

技术实现要素：

概要

根据一个方面，提供了一种微波装置。该微波装置包括一个约瑟夫逊环调制器，一个连接到约瑟夫逊环调制器的第一多模谐振器，其中该第一多模谐振器由第一左手传输线制成，以及连接到约瑟夫逊环调制器的第二多模谐振器，其中第二多模谐振器由第二左手传输线制成。

根据另一方面，提供了一种配置微波装置的方法。该方法包括将第一多模谐振器连接到约瑟夫逊环调制器，其中该第一多模谐振器由第一左手传输线制成，并且将第二多模谐振器连接到约瑟夫逊环调制器，其中该第二多模谐振器由第二左手传输线。

根据一个实施例，约瑟夫逊环调制器在惠斯通桥配置中，其中该约瑟夫逊环调制器包括彼此相对的第一对节点和彼此相对的第二对节点；所述第一多模谐振器连接到所述第一对节点，并且所述第一多模谐振器包括第一单位单元；并且第二多模谐振器连接到第二对节点，并且第二多模谐振器包括第二单位单元。接地平面分别连接到第一单位单元和第二单位单元中的电感器，电容器分别连接到第一单位单元和第二单位单元中的电感器的另一端。

根据另一个实施例，约瑟夫逊环调制器包括彼此相对的第一对节点和彼此相对的第二对节点；第一多模谐振器的集总元件侧连接到第一对节点中的一个节点，导电平面连接到该第一对节点中的另一个节点。该第一多模谐振器包括第一单位单元。而且，第二多模谐振器的集总元件侧连接到第二对节点中的一个节点，导电平面连接到该第二对节点中的另一个节点。该第二多模谐振器包括第二单位单元。

附图说明

现在将参照附图仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明一个实施例的量子微波装置的高级示意图。

图2是根据一个实施例的在多模约瑟夫逊参数转换器的多模微波谐振器中使用的半无限无损左手传输线的电路表示。

图3是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器的示意图。

图4是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器的共面波导实现。

图5是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器的半共面带状线实现。

图6是根据一个实施例的配置微波装置的方法。

具体实施方式

实施例公开了一种适用于量子信息处理的基于约瑟夫逊环调制器的量子装置。该量子装置包括耦合到使用超材料/左手传输线实现的多模谐振器的约瑟夫逊环调制器，从而形成多模约瑟夫逊参数转换器。

图1是根据一个实施例的量子微波装置100的高级示意图。该量子装置100包括多模约瑟夫逊环调制器(jrm)105，该jrm105是基于可以在量子极限处执行微波信号的三波混频的约瑟夫逊隧道结102a，102b，102c和102d的非线性色散元件。该jrm105由四个名义上相同的布置成惠斯通电桥配置的约瑟夫逊结102a-102d组成。为了构建能够在量子极限处放大和/或混合微波信号的非退化参数装置，即多模约瑟夫逊参数转换器(jpc)130，jrm105在其多个本征模的射频(rf)电流腹上并入两个多模微波谐振器。

其中一个多模微波谐振器是多模谐振器_a115a，另一个是多模谐振器_b115b。如下面所进一步讨论的，多模谐振器_a115a是具有n个单位单元的左手传输线，并且多模谐振器_b115b是具有m个单位单元的左手传输线。耦合电容器110a将多模谐振器_a115a连接到端口_a120a，而耦合电容器110b将多模谐振器_b115b连接到端口_b120b。多模jpc130包括多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b以及jrm105。

多模jpc130的性能(即功率增益g，动态带宽γ和最大输入功率pmax)强依赖于jrm105的约瑟夫逊结102a-102d的临界电流i0，电磁环境的具体实现(即，微波多模谐振器_a115a和微波多模谐振器_b115b)，jrm105和多模谐振器115a及115b之间的耦合以及多模谐振器与馈线之间的耦合。

端口_a120a和/或端口_b120b可以是微波同轴线或波导。尽管未示出，但连接到量子设备100的其它设备可以包括混合器，衰减器，循环器，隔离器，低通微波滤波器，带通微波滤波器，红外滤波器和量子位-位腔(qubit-cavity)系统。

图2是根据一个实施例的可用于构造多模微波谐振器_a115a和多模微波谐振器_b115b的半无限无损左手传输线的电路。单位单元，例如用于微波多模谐振器_a115a的单位单元205a和用于微波多模谐振器_b115b的单位单元205b，包括连接到电感器ll的电容器cl，其中“l”表示左手传输线。电感器ll的另一端接地。单位单元205a，205b连接到另一个单位单元，该另一个单位单元与又一个单位单元连接，诸如此类。

如下面进一步所示，对于多模谐振器_a115a，单位单元205a被重复n次，并且对于多模谐振器_b115b，单位单元205b被重复m次。

左手传输线的色散关系为：其中δx是单位单元的大小，kl是波向量。

左手传输线的相位和群速度具有相反的方向。

其中k是kl。这种关系的一个结果是，在左手传输线中，低频对应于短波长。相反，在色散关系随着波向量而增加的右手传输线中，低频对应于长波长。

左手传输线的特性阻抗是

左手传输线的低频边界是

图3是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器130的示意图。在图3中，180°混合耦合器305a可以连接到端口_a120a，并且180°混合耦合器305b可以连接到端口_120b。

一个180°混合器是一个4端口的微波设备，它是互易的(reciprocal)，匹配的，理想地无损的。180°混合器将输入信号分成两个相等幅度的输出。当从其总和端口(σ)馈入时，180°混合器提供两个等幅同相的输出信号，而当从差分端口(δ)馈入时，它提供两个等幅180°异相的输出信号。

一种情况假设存在位于多模微波谐振器_a的谐振模式之一的带宽内的信号(s)音调，该多模微波谐振器_a强耦合到jrm并通过180°混合器305a的δ端口输入，50欧姆(ω)终端连接到180°混合器305a的σ端口。它还假设存在一个惰轮(i)音调，其位于多模微波谐振器_b的谐振模式之一的带宽内，该多模微波谐振器_b强耦合到jrm，并通过180°混合器305b的δ端口输入，并且泵(p)音调输入到180°混合器305b的σ端口。请注意，为了馈送该装置，可以使用不同频率的多个泵音。

该装置的两个主要操作模式是放大模式(具有光子增益)和单一的频率转换模式

(没有光子增益)，

在放大模式中，应用的泵频率fp满足关系fp＝fi+fs,其中fs和fs分别是信号(s)和惰轮(i)音调的频率，以及在单一的频率转换模式中，应用的泵频率fp满足关系fp＝|fi-fs|。

这里根据实施例讨论具有多模约瑟夫逊参数转换器130的量子装置的不同实现。

相反，对于现有技术的由右手传输线(例如，微带谐振器)制成的双差模(标准非退化)约瑟夫逊参数转换器，其中jrm强耦合到感兴趣的频带(例如，5-15ghz)内的设备的两个物理谐振器的两个基本共振模式，在实施例中使用超材料/左手传输线来实现的多模jpc130的两个多模谐振器(即，多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b)可被设计和工程化成使得jrm105强耦合到感兴趣的频带内的多个差分模式。即，每个多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b在感兴趣的频带(例如，5-15ghz)内具有多个谐振模式，其中许多强耦合到jrm105，与现有技术相反，现有技术中感兴趣的频带内的谐振器(仅)有两个差分谐振模式强耦合到jrm。

多模意味着在感兴趣的某个频带(例如，5-15ghz)内，多模谐振器_a115a具有多个谐振模式，并且多模谐振器_b115b具有多个谐振模式。这意味着多模谐振器_a115a被配置为在从可以包括数百个谐振频率的感兴趣的特定频带内的第一谐振频率到最后谐振频率的多个谐振频率下谐振。类似地，多模谐振器_b115b被配置为在从可以包括数百个谐振频率的感兴趣的特定频带(例如，5-15ghz)内的第一谐振频率到最后谐振频率的多个谐振频率下谐振。

左手传输线/谐振器(分别实现为多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b)的一个显著特性是它们具有接近其低频界ωir的大的模式密度(即，谐振模式密度)，这使得他们成为在感兴趣的频段内的多模谐振器。对于超导装置中的量子测量，感兴趣的频带是大约5-15千兆赫(ghz)的微波频带(通常用于量子位读出和测量)。多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b各自可以具有大约5-15ghz之间的高密度谐振模式(即，谐波或谐振频率)，这对于量子测量是有益的。相反，在现有技术中右手传输线(作为谐振器)在大约10ghz处仅具有一个谐波(一个频率谐振模式)，并且下一个谐波是大约20ghz(其在感兴趣的5-15ghz的微波频带之外)。在感兴趣的5-15ghz微波频带之外的频率谐振模式不适用于传送量子信息(主要是因为大多数超导量子位频率落在该范围内(即落入感兴趣的频带内)，并且许多微波发生器、测量设备以及微波部件在该范围内可商购)，因此，实施例中的多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b可以各自具有5-15ghz之间的数十或数百个频率谐振模式(即，高密度模式)用于使用多模jpc130处理量子信息。

通常，在给定的角谐振频率ω下左手传输线谐振器的模式密度与谐振器中的单位单元数目成正比，并且与低频界限ωir成反比。

应该注意的是，并不是落在特定的感兴趣的频段(例如5-15ghz)内的多模谐振器_a和多模谐振器_b的模式的所有多个谐振模式都在中心处强耦合到jrm，即，在jrm的位置有一个射频电流波腹。因此，强耦合到jrm的谐振模式是感兴趣频段内可用谐振模式的一个子集(大约一半)。因此，并不是落在感兴趣的频段内的多模谐振器_a和多模谐振器_b的所有谐振模式都可用来执行三波混频，这形成了由该多模设备实现的各种量子信息处理操作的基础。换句话说，在本公开中使用的术语多模谐振器_a和多模谐振器_b的多模主要指在强耦合到感兴趣的频带内的jrm的那些。

在一个实施方式中，多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b中的每一个可以具有强耦合到jrm的在5-10ghz范围内的5到20个频率谐振模式。在另一个实施方式中，多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b每个可以具有强耦合到jrm的在5-

10ghz范围内的20-50个频率谐振模式。在又一个实施方式中，多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b每个可以具有强耦合到jrm的在5-10ghz范围内的50-100个频率谐振模式。

由于多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b均可具有在5-10ghz范围(例如，5-100个频率谐振模式)中强耦合到jrm的多个谐振模式，这使得多模jpc130具有超越了标准双差分模式jpc的能力，可在量子信息处理领域在各种有趣的应用中有用，如多个量子位之间的远程纠缠的产生，多对纠缠光子的产生，在量子极限处多个微波信号的放大，在不同频率的多个传播微波信号之间进行频率转换。

图4是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器130的示例性共面波导实现。

多模jpc130包括多模谐振器_a115a(左手传输线)，该多模谐振器_a115a包括集总元件电感器la(作为电感器ll)和集总元件电容器ca(作为电容器cl)。类似地，多模jpc130包括多模谐振器_b115b(左手传输线)，该多模谐振器_b115b(左手传输线)包括集总元件电感器lb(作为电感器ll)和集总元件电容器cb(作为电容器cl)。

多模谐振器_a115a(左手传输线)连接到约瑟夫逊环调制器150的左右节点。多模谐振器_a115a连接到端口_a120a。在多模谐振器_a115a中，单位单元205a包括连接到电容器ca的两个电感器la。两个电感器la的一端彼此连接并连接到电容器ca，而电感器la的另一端连接到接地平面405。如图4所示，单位单元205a的这种配置在多模谐振器_a115a中重复n次。应该注意的是，在每个单位单元中使用两个电感器主要是为了使设备在接地方面保持对称。然而，在一个实施方式中也考虑使用接地的一个电感器。

多模谐振器_b115b(左手传输线)连接到约瑟夫逊环调制器150的顶部和底部节点。多模谐振器_b115b连接到端口_b120b。在多模谐振器_b115b中，单位单元205b包括连接到电容器cb的两个电感器lb。两个电感器lb的一端彼此连接并和电容器cb连接，而电感器lb的另一端连接到接地平面405。如图4所示，单位单元205b的这种配置在多模谐振器b-115b中重复m次。应该注意的是，在每个单位单元中使用两个电感器主要是为了使设备在接地方面保持对称。然而，在一个实施方式中也考虑使用接地的一个电感器。

如图3所示，端口_a115a和端口_b115b可以使用180°混合器305a和305b(图4中未示出)馈入。端口_a115a和端口_b115b可以是同轴电缆或共面波导，或者可以是具有由介电材料隔开的中心导体和外部导体的微带或带状线。对于端口_a115a，中心导体通过耦合电容器110a连接到多模谐振器_a115a的左侧和右侧，而外部导体连接到接地平面405。对于端口b_115b，中心导体通过耦合电容器110b连接到多模谐振器_b115b的顶部和底部侧，而外部导体连接到接地平面405。

图5是根据一个实施例的多模约瑟夫逊参数转换器130的示例性半共面带状线实现。

多模jpc130包括包含电感器la(作为电感器ll)和电容器ca(作为电容器cl)的多模谐振器_a115a(左手传输线)。类似地，多模jpc130包括包含电感器lb(作为电感器ll)和电容器cb(作为电容器cl)的多模谐振器_b115b(左手传输线)。

多模谐振器_a115a的集总元件侧连接到约瑟夫逊环调制器150的左节点，而其右节点连接到导电平面406。多模谐振器_a115a的集总元件侧和导电平面406连接到180°混合器305a。在多模谐振器_a115a中，单位单元205a包括连接到电容器ca的电感器la。电感器la的一端连接到电容器ca，而电感器la的另一端连接到导电平面406。如图5所示，单位单元205a的这种配置在多模谐振器_a115a中重复n次。虽然图5示出了连接到多模谐振器_a115a的集总元件侧的左节点和连接到导电平面406的右节点，该结构可以互换，使得多模谐振器_a115a的集总元件侧连接到右节点，并且导电平面406连接到左节点。

多模谐振器_b115b的集总元件侧连接到约瑟夫逊环调制器150的顶部节点，而底部节点连接到导电平面407。多模谐振器_b115b的集总元件侧和导通平面407连接到端口b_115b。在多谐振器_b115b中，单位单元205b包括连接到电容器cb的电感器lb。电感器lb的一端连接到电容器cb，而电感器lb的另一端连接到导电平面407。如图5所示，单位单元205b的这种配置在多模谐振器b_115b中重复m次。虽然图5示出了连接到多模谐振器_b115b的集总元件侧的顶部节点和连接到导电平面407的底部节点，该结构可以互换，使得多模谐振器_b115b的集总元件侧连接到顶部节点，导电平面407连接到底部节点。

图6是根据实施例的配置微波装置(诸如多模jpc130)的方法。可以参考图1-5。

在方框605处，第一多模谐振器(即，多模谐振器_a115a)连接到约瑟夫逊环调制器150，其中该第一多模谐振器由第一左手传输线制成。

在方框610处，第二多模谐振器(即，多模谐振器_b115b)连接到约瑟夫逊环调制器150，其中该第二多模谐振器由第二左手传输线制成。

第一多模谐振器(即，多模谐振器_a115a)包括在感兴趣的特定频带内强耦合到jrm的多个第一谐振模式，并且第二多模谐振器(即，多模谐振器_b115b)包括在同样的感兴趣的频带内强耦合到jrm的多个第二谐振模式。

在感兴趣的特定频带内强耦合到jrm的第一多模谐振器中的多个第一谐振模式的数量等于在同样的感兴趣的频带内强耦合到jrm的第二多模谐振器中的多个第二谐振模式的数量。例如，在多模谐振器_a115a和多模谐振器_b115b中，在感兴趣的特定频带内强耦合到jrm的频率谐振模式的数量是相等的。

在感兴趣的特定频带内强耦合到jrm的第一多模谐振器中的多个第一谐振模式的数目不等于在同样的感兴趣的频带内强耦合到jrm的第二多模谐振器中的多个第二谐振模式的数目。例如，多模谐振器_a115a或多模谐振器_b115b可以在感兴趣的特定频带内具有比另一个多模谐振器更多的强耦合到jrm的频率谐振模式。

第一多模谐振器_a115a包括n个第一单位单元205a，并且第二多模谐振器_b115b包括m个第二单位单元205b。n和m都不等于零。在一个实施例中，n等于m，而在另一个实施例中，n不等于m。

第一单位单元205a中的每一个和第二单位单元205b中的每一个分别包括连接到电感器(la,lb)的一端的电容器(ca,cb)，而电感器(la,lb)的另一端连接到接地平面405或导电平面406,407，如图2,4和5所示。

约瑟夫逊环调制器150包括彼此相对的第一对节点(例如jrm150的左节点和右节点)以及彼此相对的第二对节点(例如，jrm150的顶节点和底节点)。第一多模谐振器_a115a连接到第一对节点。如图5所示，第一对节点中的一个连接到谐振器的集总元件侧，导电平面406连接到第一对节点中的另一个。第二多模谐振器_b115b连接到第二对节点。如图5所示，第二对节点中的一个连接到谐振器的集总元件侧，导电平面407连接到第二对节点中的另一个。

如图4所示，第一单位单元205a中的每一个和第二单位单元205b中的每一个分别包括第一电感器(第一la，第一lb)，第二电感器(第二la，第二lb)和电容器(ca，cb)。第一电感器的第一端和第二电感的第一端连接在一起，第一电感器的第二端和第二电感器的第二端接地，电容器连接到第一电感器的第一端和第二电感的第一端，如图4所示。

约瑟夫逊环调制器150包括在惠斯通电桥中彼此相对的第一对节点和彼此相对的第二对节点。第一多模谐振器_a115a连接到第一对节点，而第二多模谐振器_b115b连接到第二对节点。

第一单位单元彼此串联连接，并且第二单位单元彼此串联连接。

在一个实施方式中，第一单位单元205(在多模谐振器_a115a中)中的每一个中的电容和电感不同于第二单位单元(在多模谐振器_b115b中)中的每一个中的电容和电感。由于多模谐振器_a115a中的单位单元205a与多模谐振器_b115b中的单位单元205b不同，所以多模谐振器_a115a具有与多模谐振器_b115b不同的谐振模式和谐振频率。

在另一个实施方式中，第一单位单元(在多模谐振器_a115a中)中的每一个中的电容和电感匹配第二单位单元(在多模谐振器_b115b中)中的每一个的电容和电感。

在每个多模谐振器中使用的集总元件电感和电容可以从一个单位单元变化到另一个单位单元。对多模谐振器的周期性结构的这种扰动可以被用来改变多模谐振器的某些本征模之间的频率间隔。

在多模谐振器的左手传输线的设计中使用的集总元件电感，例如，la和lb可以使用狭窄的超导线以曲折配置来实现。超导线的总电感可以是几何电感和动能电感的组合。在多模谐振器的左手传输线的设计中使用的集总元件电感也可以被实现为大的约瑟夫逊结的阵列。

在多模谐振器的左手传输线的设计中使用的集总元件电容，例如，ca和cb可以实现为交叉电容器或平板电容器，其中电介质层沿着左手传输线的中心导体沉积在两个电极之间。

应该注意的是，如本领域技术人员所理解的，可以利用各种微电子设备制造方法来制造本文所讨论的部件/元件。在超导和半导体设备制造中，各种加工步骤分为四大类：沉积，去除，图案化和电性质的改变。

沉积是生长，涂覆或以其他方式将材料转移到晶片上的任何过程。可用的技术包括物理气相沉积(pvd)，化学气相沉积(cvd)，电化学沉积(ecd)，分子束外延(mbe)以及最近出现的原子层沉积(ald)等。

去除是从晶片去除材料的任何工艺：实例包括蚀刻工艺(湿法或干法)和化学机械平坦化(cmp)等。

图案化是沉积材料的成形或改变，并且通常被称为光刻。例如，在常规的光刻中，晶片被称为光致抗蚀剂的化学物质涂覆；然后，称为步进器的机器聚焦、对准并移动掩模，将下面晶片的选定部分暴露于短波长光；曝光区域被显影剂溶液冲走。在蚀刻或其他处理之后，去除剩余的光致抗蚀剂。图案化还包括电子束光刻。

电性质的改变可以包括掺杂，例如掺杂晶体管源极和漏极，通常通过扩散和/或通过离子注入。这些掺杂过程之后是炉退火或快速热退火(rta)。退火用于激活注入的掺杂剂。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

出于说明的目的，已经给出了对本发明的各种实施例的描述，但这并不意图是穷举的或者限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，对于本领域的普通技术人员来说，许多修改和变化将是显而易见的。选择在此使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、相对于在市场中找到的技术的实际应用或技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文公开的实施例。