在微波域中用于量子通信和计算应用的和频率发生器的制作方法

本发明涉及超导电子器件，更具体而言，涉及在微波域中用于量子通信应用的和频发生器。

背景技术：

量子纠缠是当粒子对或粒子群以即使粒子被分开很大距离，每个粒子的量子态也不能被独立描述的这种方式产生或相互作用时发生的物理现象。相反，必须作为整体为系统描述量子态。换句话说，纠缠的系统被定义为其量子态不能作为其局部成分的状态的乘积而被考虑的系统。换句话说，它们不是单独的粒子，而是不可分割的整体。在纠缠中，一个成分不能在不考虑(一个或多个)其它成分的情况下被完全描述。注意的是，复合系统的状态始终可表达为局部成分的状态的乘积的和或叠加。

技术实现要素：

根据一个或多个实施例，提供了一种用于和频发生器的电路。该电路包括连接到约瑟夫森环形调制器(jrm)的第一谐振器，其中第一谐振器被配置为接收处于第一频率的第一光子。该电路包括连接到jrm的第二谐振器，并且第二谐振器被配置为具有一次谐波而没有二次谐波。第二谐振器被配置为接收处于第二频率的第二光子，并且第一谐振器被配置为输出上转换(up-converted)光子。上转换光子具有作为第一频率和第二频率之和的上转换频率。

根据一个或多个实施例，提供了一种形成用于和频发生器的电路的方法。该方法包括提供连接到约瑟夫森环形调制器(jrm)的第一谐振器，其中第一谐振器被配置为接收处于第一频率的第一光子。该方法包括提供连接到jrm的第二谐振器，并且第二谐振器被配置为具有一次谐波而没有二次谐波。第二谐振器被配置为接收处于第二频率的第二光子，并且第一谐振器被配置为输出上转换光子。上转换光子具有作为第一频率和第二频率之和的上转换频率。

根据一个或多个实施例，提供了一种用于第一量子位和第二量子位的远程纠缠的方法。该方法包括提供分别连接到第一量子系统和第二量子系统的和频发生器电路。第一量子系统包括第一量子位，并且第二量子系统包括第二量子位。该方法包括远程纠缠第一量子位和第二量子位。远程纠缠包括使第一量子系统以第一频率将第一输出读出信号发送到和频发生器，并使第二量子系统以第二频率将第二输出读出信号发送到和频发生器电路。此外，远程纠缠包括由和频发生器输出上转换输出读出信号，该上转换输出读出信号具有作为第一频率和第二频率之和的上转换频率，从而远程纠缠第一量子位和第二量子位。

根据一个或多个实施例，提供了一种用于配置微波中继器的方法。该方法包括提供第一和频发生器至最后一个和频发生器，并提供第一自发参量下转换器件至最后一个自发参量下转换器件。第一至最后一个和频发生器中的每一个连接到第一至最后一个自发参量下转换器件中的两个，使得第一至最后一个和频发生器中的每一个由第一至最后一个自发参量下转换器件中的两个共享。第一至最后一个和频发生器的总数比第一至最后一个自发参量下转换器件的总数少一个。

附图说明

图1是根据一个或多个实施例的量子通信中的和频发生器(sfg)的应用的概念图。

图2是根据一个或多个实施例的sfg电路的示意图。

图3描绘了根据一个或多个实施例的示例频谱。

图4描绘了根据一个或多个实施例的示例频谱。

图5描绘了根据一个或多个实施例的sfg电路的示例实现。

图6描绘了根据一个或多个实施例的利用sfg电路在远距离量子位之间进行远程纠缠的应用的系统。

图7描绘了根据一个或多个实施例的利用sfg电路用于作为量子微波中继器的系统。

图8是根据一个或多个实施例的形成sfg的电路的方法的流程图。

图9是根据一个或多个实施例的用于第一量子位和第二量子位的远程纠缠的方法的流程图。

图10是根据一个或多个实施例的用于配置微波中继器的方法的流程图。

具体实施方式

本文参考相关附图描述了各种实施例。在不脱离本文件的范围的情况下，可以设计替代实施例。注意的是，在以下描述和附图中，阐述了元件之间的各种连接和位置关系(例如，上方、下方、相邻等)。除非另有说明，否则这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且在这方面不旨在进行限制。因此，实体的耦合可以指或者直接耦合或者间接耦合，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接的位置关系。作为间接位置关系的示例，对在层“b”上方形成层“a”的引用包括其中一个或多个中间层(例如，层“c”)在层“a”和层“b”之间的情况，只要层“a”和层“b”的相关特性和功能基本上不被中间层改变即可。

光子是一种基本粒子，它是光以及所有其它形式的电磁辐射的量子。光子携带与辐射频率成比例的能量并且具有零静止质量。

贝尔(bell)状态是量子信息科学中的概念并且表示纠缠的本质。它们受贝尔不等式的影响。epr对是一起处于贝尔状态(换句话说，彼此纠缠在一起)的一对量子位(qubits)(量子位)、粒子或光子。与诸如电磁场和引力场之类的经典现象不同，纠缠在分离距离下是不变的，并且不受诸如光速之类的相对论限制的影响。贝尔测量是量子信息科学中的重要概念。它是两个量子位的联合量子力学测量，其确定两个量子位处在四个贝尔状态中的哪个状态。如果量子位之前不处于贝尔状态，则它们被投射到贝尔状态(根据量子测量的投射规则)，并且当贝尔状态纠缠时，贝尔测量是纠缠操作。

纠缠的一个有用特征是它可以被交换。例如，给定两对纠缠光子，例如，a，b和c，d，其中每对由单独的自发光子下转换器(spdc)生成，通过在贝尔基础上执行光子b和c的联合测量并将结果传送给a和d，可以纠缠光子a和d(无需使它们彼此相互作用)。这种量子操作(即，纠缠交换)可用的一种应用是量子通信。特别地，它使得能够实现量子中继器。但是，使用线性光学元件在纠缠交换方案中执行部分贝尔测量(其中成功的贝尔测量用作产生纠缠对的预告事件)遭受若干问题。例如，一个问题是自发参量下转换(spdc)源固有地发射多对纠缠光子，这降低了成功贝尔测量条件下纠缠状态的保真度，并使得在不事后选择与在两端a和d处的一次探测对应的事件的情况下纠缠交换协议无用。此外，除了降低保真度之外，事后选择操作本身与独立于器件的(为了执行安全的量子通信所需的)量子密钥分配(diqkd)方案的要求不相容。另一个问题是贝尔不等式的所有光学测试都受到探测漏洞的影响，其中探测漏洞是由于量子信道中不可避免的损耗、光子对源和光纤之间的耦合损耗以及有限的探测器效率而未能探测到所有纠缠光子。关闭这个漏洞是证明diqkd的必要条件。这些问题和本文献中提出的其它问题的一种可行的解决方案是使用和频发生器(其在某种程度上用作非线性滤波器)代替用于在纠缠交换操作/协议中执行贝尔测量的线性光学元件。

一个或多个实施例提供了在微波域(例如，1-30千兆赫(ghz))中操作的量子器件。该量子器件能够在芯片上执行非线性光学操作，特别是和频生成，即，将以频率fs,fi和动量ks,ki进入量子器件的端口的一对微波光子上转换为其能量等于能量之和fupc＝fi+fs并且其动量等于输入光子的动量之和kupc＝ki+ks的出射光子。一个或多个实施例包括在微波域中的和频发生器(电路)，其在单个光子级别操作并且可以在量子信息处理应用中，特别是在量子计算和量子通信中以各种角色被使用。

现在转到各图，图1是根据一个或多个实施例的量子通信中的和频发生器的应用的概念图。图1描绘了spdc1和spdc2，它们是具有未校正光谱的两个独立光子对源。sfg连接到每个spdc1和2。单微波光子探测器11、12和13分别连接到spdc1、spdc2和sfg。

在操作期间，单独的泵浦信号被输入到spdc1和2。在该示例中，泵浦信号1(以频率ωp1＝ω2+ω4)被输入到spdc1，并且泵浦信号2(以频率ωp2＝ω1+ω3)被输入到spdc2。spdc1是被配置为例如根据fock态产生一对纠缠光子。类似地，spdc2被配置为产生一对纠缠光子。

由spdc1生成的纠缠光子对被指定为发送到光子探测器11的光子|1>ω4和发送到sfg的光子|1>ω2。由spdc2生成的纠缠光子对被指定为发送到光子探测器12的光子|1>ω3和发送到sfg的光子|1>ω1。

sfg被配置为接收光子|1>ω1和光子|1>ω2并将两个光子(|1>ω1和|1>ω2)上转换为转换光子|1>ω1+ω2。转换光子|1>ω1+ω2可以被称为上转换光子。注意的是，由spdc1生成的光子的频率是ω2和ω4，并且由spdc2生成的光子的频率是ω1和ω3。因此，转换光子|1>ω1+ω2是和频率ω1+ω2。通过用单微波光子探测器测量转换(即，上转换)光子|1>ω1+ω2，转换光子预示着一定距离处的其它两个光子态的纠缠。换句话说，测量转换(即，上转换)光子|1>ω1+ω2确定地确认了彼此远离的光子|1>ω3和|1>ω4的纠缠。此外，该方案产生其中3个光子纠缠的光子三重态。3个纠缠光子的光子三重态是转换光子|1>ω1+ω2、光子|1>ω3和|1>ω4的纠缠。

图2是根据一个或多个实施例的sfg电路100的示意图。sfg电路100是微波器件或量子器件。sfg电路100包括端口150a和端口150b。端口150a可以连接到宽带180度混合耦合器120a，并且端口150b可以连接到宽带180度混合耦合器120b。180度混合耦合器120a和120b各自具有差(δ)端口和和(∑)端口。对于180度混合耦合器120a，信号(s)连接到δ端口，并且上转换(upc)信号连接到∑端口。对于180度混合耦合器120b，空载(idler)(i)连接到δ端口，并且终端阻抗点(例如，50欧姆(ω)终端环境)连接到∑端口。

180°混合耦合器是4端口微波器件，它是互逆的、匹配的并且理想无损耗的。180°混合器将输入信号分成两个相等振幅的输出。当从其和端口(∑)馈送时，180°混合器提供两个相等振幅的同相输出信号。当从差端口(δ)馈送时，它提供两个相等振幅的180°异相输出信号。

sfg电路100包括约瑟夫森结环形调制器(jrm)110。jrm110包括连接在一起以形成jrm110中的回路(loop)/环(ring)的多个约瑟夫森结(jj)130，其类似于惠斯通(wheatstone)桥。在一个实现中，jrm110还可以在回路内包括jj131，使得每个jj131的一端连接到jrm110的回路的节点，而每个jj131的另一个端连接到其它jj131。如本领域技术人员所理解的，施加的磁通φ穿过mjrm110的回路，并且磁场可以由磁源180(诸如磁线圈)生成。在该示例中，穿过jrm的每个减小的内回路的磁通φ是φext/4。

信号谐振器162包括两个四分之一波长传输线12a和12b。四分之一波长传输线12a连接到节点a，另一个四分之一波长传输线12b连接到jrm110的节点b。这两个四分之一波长传输线和jrm110形成用于基础模式的其波长为与输入微波信号152的波长匹配的λs的半波长(λs/2)传输线微波谐振器。信号谐振器162的四分之一波长传输线12a和12b连接到jrm110的相对端。

空载谐振器161包括两个集总元件电容器11a和11b，每个具有值2cb，其中c表示电容。一个集总元件电容器11a耦合到节点c，另一个集总元件电容器11b耦合到jrm110的节点d。空载谐振器161的集总元件电容器11a和11b连接到jrm110的相对端。

空载谐振器161和信号谐振器162两者共享或利用jrm110。在一种实现中，空载谐振器161和信号谐振器162两者具有与图3的频谱中描绘的相同的谐振频率。在另一种实现中，空载谐振器161和信号谐振器162具有不同的谐振频率，其中空载谐振器161具有比图4的频谱中描绘的信号谐振器162更高的谐振频率。

如果微波部件/元件的维度与最小工作频率的波长相比非常小(例如，小于与器件的最小操作频率对应的波长的1/10)，则其被描述为集总(相对于分布式)。例如，约瑟夫森结被认为是作为1-20ghz范围内的微波信号的集总非线性电感器的非常好的近似。

sfg电路100包括将端口150a连接到信号谐振器162的耦合电容器20a和20b。此外，sfg电路100包括将端口150b连接到空载谐振器161的耦合电容器20c和20d。耦合电容器对20a、20b(以及对20c和20d)各自具有相同的值，并且该值在耦合电容器20a、20b中被指定为cca并且在耦合电容器20c、20d中被指定为ccb。耦合电容器20a、20b、20c和20d的值主要被确定为使得其为空载谐振器161和信号谐振器162设定期望的带宽(如本领域技术人员将理解的那样不牺牲器件的稳定性)。

空载微波信号/音调151处于频率fi，并且信号微波信号/音调152处于频率fs。上转换微波信号/音调153处于频率fupc。空载微波信号151(空载光子)和信号微波信号152(信号光子)被输入到sfg电路100中并且被上转换以生成上转换微波信号153(上转换信号)。

下面讨论sfg电路100的特性。信号谐振器162也可以被称为谐振器a，并且信号谐振器162具有谐振频率fa。空载谐振器161也可以被称为谐振器b，并且空载谐振器161具有谐振频率fb。信号谐振器162和空载谐振器161被设计成使它们的谐振频率(fa和fb)相等或大致相等，使得fa～fb。空载谐振器161是集总元件谐振器，并且不具有二次谐波。信号谐振器162不是集总元件谐振器，并且确实具有以谐振频率fc的二次谐波。谐振器a的以谐振频率fc的二次谐波满足关系fc＝2fa。为了简单起见，谐振器a的以谐振频率fc的二次谐波被指定为谐振器c的谐振频率。

频率fs(信号微波信号152)和频率fi(空载微波信号151)在sfg100的器件带宽内，并且具有它们相等或大约相等使得fs～fi的特性。作为示例，频率可以是fs＝fi＝7ghz。上转换信号153(即上转换光子)的频率fupc是频率fs和fi之和，使得输出上转换频率fupc满足关系fupc＝fs+fi(例如，14ghz)。上转换光子的和频率fupc落在2fa谐振模式的带宽内。

信号谐振器162(谐振器a)具有指定为γa的带宽，并且空载谐振器161(谐振器b)具有指定为γb的带宽。信号谐振器162的二次谐波具有指定为γc的带宽。换句话说，谐振器c具有指定为γc的带宽。带宽满足关系γa～γb＜γc。

此外，带宽满足关系γa，γb＜g3，γ2ph＜γc，其中g3是三个模式a、b和c之间的耦合常数，并且表征在sfg电路100中一对信号和空载光子被上转换的速率，其中γ2ph是信号和空载光子(经由信号和空载微波信号152和151)离开它们各自的端口150a和150b(即，反射中的输出)的速率，并且其中在sfg电路100中，带宽γc要大于带宽γa和带宽γb，使得上转换光子(即，上转换信号153中的上转换光子)及时离开sfg电路100，并且具有更大的带宽γc防止了上转换光子有机会被下转换。注意的是，在sfg中发生的3-波混频过程(非线性混合)从信号光子空载和光子中生成上转换光子。

包括电容器11a-b和20a-d(电容器中的介电材料除外)、传输线30、约瑟夫森结130、131(薄绝缘材料除外)以及端口150a和150b的sfg100由超导材料制成。此外，混合耦合器120a和120b由低损耗的普通金属制成或者可以由超导材料制成。超导材料的示例(在低温下，诸如约10-100毫开尔文(mk)或约4k)包括铌、铝、钽等。

图3描绘了根据一个或多个实施例的示例频谱300。在该示例中，信号谐振器162(即，谐振器a)的谐振频率fa和空载谐振器161(谐振器b)的谐振频率fb彼此一致(即，相等或大约相等)，如曲线305所示。在频谱300中，信号谐振器162和空载谐振器161的带宽(γa～γb)相等或大约相等。

信号光子(其可以与信号微波信号152互换使用)以频率fs输入，并且频率fs在信号谐振器162(谐振器a)的带宽γa内。空载光子(其可以与空载微波信号151互换使用)以频率fi输入，并且频率fi在空载谐振器161(谐振器b)的带宽γb内。在一种实现中，频率fs可以约等于谐振频率fa，并且频率fi可以约等于谐振频率fb。

因为信号谐振器162具有二次谐波谐振模式(被指定为谐振器c的谐振模式)并且由于jrm110中的相互作用，信号质子和空载质子组合并且被上转换为其能量是信号光子和空载光子的能量之和的光子(被识别为上转换信号153的上转换光子)。上转换光子具有频率fupc＝fc＝2·fa。换句话说，频率fupc处于信号谐振器162(谐振器a)的二次谐波，其约为信号谐振器162的信号谐振频率fa的2倍。二次谐波(即，谐振器c)的带宽γc约为信号谐振器162(谐振器a)的带宽γa的8倍，使得γc～8·γa。在另一个实现中，带宽γc可以比带宽γa高约7倍、8倍、9倍和/10倍。图3中的频谱满足关系γa，γb＜g3，γ2ph＜γc。

图4描绘了根据一个或多个实施例的示例频谱400。在该示例中，信号谐振器162(即，谐振器a)的谐振频率fa和空载谐振器161(谐振器b)的谐振频率fb彼此不一致，如曲线405和410所示。在频谱400中，信号谐振器162和空载谐振器161的带宽(γa～γb)是分开的并且彼此不重合。

(信号微波信号152的)信号光子以频率fs被输入，并且频率fs在信号谐振器162(谐振器a)的带宽γa内。(空载微波信号151的)空载光子以频率fi被输入，并且频率fi在空载谐振器161(谐振器b)的带宽γb内。

因为信号谐振器162具有二次谐波谐振模式(被指定为谐振器c的谐振模式)并且由于jrm110中的相互作用，信号质子和空载质子组合并且被上转换为其能量是信号光子和空载光子的能量之和的光子(被识别为上转换信号153的上转换光子)。与图3不同，图4中的频谱400示出了上转换光子具有频率fupc＝fc＝fa+fb。虽然对于均匀传输线谐振器fc应该是2fa，但是电感器(即，jj130)可以使信号谐振器162的二次谐波谐振模式频率偏斜。在这种情况下，可以设计其中谐振频率fa和fb对于谐振器a和b是不同的并且其中它们的和是fc的实施例。信号谐振器162(谐振器a)可以例如根据形成谐振器162的传输线的预定长度(以及jrm110的感应负载)来设置，以给出某个基本谐振频率fa和二次谐波谐振频率fc。随后，可以设计空载谐振器161的谐振频率fb的值，使得其等于谐振频率fc和fa之间的差。

空载谐振器161被构造成使得其谐振频率fb略高于信号谐振器162的谐振频率fa，以便达到条件fc＝fa+fb。例如，谐振频率fa可以是7ghz并且二次谐波fc的谐振频率可以是15ghz。在这种场景下，二次谐波的谐振频率fc高于2·fa，并且在这种情况下，fb＝8ghz被设计为高于如频谱400中所描绘的fa。

如图3中所讨论的，二次谐波(即，谐振器c)的带宽γc约为信号谐振器162(谐振器a)的带宽γa的8倍，使得γc～8·γa。在另一种实现中，带宽γc可以比带宽γa大约7倍、8倍、9倍和/10倍。图4中的频谱满足关系γa，γb＜g3，γ2ph＜γc。

出于解释的目的，为sfg电路100提供具有可行实验参量的设计示例。参量包括i0＝2·10^-7a安培(a)，其中i0是jrm110的外部jj130(其名义上相同)的临界电流，lj0＝1.6纳亨(nh)，其中lj0是jrm中的零施加通量的外部jj130的电感，并且lj＝2.3nh，其中lj是每个jj130的、与施加的通量φext～φ0/2对应的器件的某个工作点的电感，其中φ0是通量量子。如本领域技术人员所认识到的，包括内部jj131以便为器件添加频率可调性。通常，这些jj131的临界电流被设计为比外部jj130的i0大约2.5倍。附加的参量包括γa，b/2π＝20兆赫兹(mhz)、γc/2π＝160mhz、fa＝6ghz、fb＝7.3ghz、fc＝13.3ghz、cb＝171飞法(ff)、g3/2π＝65mhz和κ2ph/2π＝105mhz。这些参量满足不等式要求γa，γb＜g3，γ2ph＜γc。

图5是根据一个或多个实施例的sfg电路100的示例实现。在图5中，信号谐振器162的半波传输线谐振器(即，12a和12b与jrm110一起)被实现为微带、带状线、共面波导等。

空载谐振器161的集总元件电容器11a和11b是具有共同底板或具有与未示出的底板的共同连接的电容器，并且共同底板在另一层上(即，不与11a和11b的顶板共面)。例如，介电材料位于集总元件电容器11a和11b的每个顶板下方，并且集总元件电容器11a和11b共享连接到地的共同底板。集总元件电容器11a和11b连接到jrm110。

信号谐振器162的半波传输线谐振器(即，12a、12b和jrm110)经由耦合电容器20a和20b耦合到信号和上转换信号馈线，耦合电容器20a和20b在图5中以间隙电容器的形式示出(其它形式的电容也是可能的，诸如板电容和相互交叉电容)。类似地，空载谐振器161的集总元件电容器11a和11b经由耦合电容器20c和20d耦合到空载馈线。信号/上转换信号和空载馈线充当连接到相应的180混合耦合器120a和120b的相应端口150a和150b。信号/上转换信号和空载馈线可以是传输线。

图6描绘了根据一个或多个实施例的利用sfg电路100用于量子位611和612之间的远程纠缠的应用的系统600。系统600包括耦合到量子位-腔系统601和量子位-腔系统602的sfg电路100。量子位-腔系统601包括耦合到量子位611的腔。量子位-腔系统602包括耦合到量子位612的腔。量子位-腔系统601和602是彼此远离的距离l。在一种实现中，距离l可以在相同的芯片上，诸如3cm。在另一种实现中，距离l可以在单独的芯片上是1m(米)。

现在讨论系统600的示例操作。以频率ωr+ω的输入读出信号605被输入到量子位-腔系统601。量子位-腔系统601以频率ωr+ω输出输出读出信号605′，并且sfg电路100接收频率ωr+ω的输出读出信号605′(即，信号微波信号152)。频率ωr+ω的输出读出信号605′可以被输入到sfg电路100的端口150a的混合耦合器120a的δ输入端。输出读出信号605′包含量子位611的状态信息。本领域技术人员应该理解，量子位-腔系统601包括耦合到量子位611的腔或读出谐振器，使得腔或读出谐振器响应于输入读出信号605而发送输出读出信号605′。

以频率ωr-ω的输入读出信号610被输入到量子位-腔系统602。量子位-腔系统602以频率ωr-ω输出输出读出信号610′，并且sfg电路100接收频率为ωr-ω的输出读出信号610′(即，空载微波信号151)。以频率ωr-ω的输出读出信号610′可以被输入到sfg电路100的端口150b的混合耦合器120b的δ输入端。输出读出信号610′包含量子位612的状态信息。本领域技术人员应该理解，量子位-腔系统602包括耦合到量子位612的腔或读出谐振器，使得腔或读出谐振器响应于输入读出信号610而发送输出读出信号610′。

输出读出信号605′可与输出读出光子605′互换，并且输出读出信号610′可与输出读出光子610′互换。输出读出光子605′可以显示例如量子位的通电状态|e1>和基态|g1>的叠加，从而包含量子位611的量子位状态信息。输出读出光子610′可以显示例如量子位的通电状态|e2>和基态|g2>的叠加，从而包含量子位612的量子位状态信息。

响应于以频率ωr+ω接收输出读出光子605′并且以频率ωr-ω接收输出读出光子610′，sfg电路100被配置为对光子605′和610′进行上转换，从而产生频率为2·ωr的(上转换的)转换光子615(输出读出信号)。上转换光子615频率是频率之和(ωr+ω)+(ωr-ω)，从而产生2·ωr。

转换光子610(输出读出信号)是以下状态的叠加：|e1e2>，|e1g2>，|g1g2>，|g1e2>。转换光子615(或转换光子615的测量)预示彼此远离的量子位611和612的远程纠缠。转换光子610(即，上转换光子153)可以经由sfg电路100的端口150a的混合耦合器120a的∑输出来输出。

图7是根据一个或多个实施例的利用sfg电路100用于作为量子微波中继器的系统700。量子微波中继器(或量子中继器)是用于构建长距离安全光子网络不可或缺的技术。为了在两个远程接收器之间分配纠缠，需要在两者之间的量子中继器节点处进行纠缠交换操作。因此，系统700可以用作通信系统中的预定位置处的量子中继器节点。

示例系统700包括spdc1、spdc2和spdc3。spdc1、2、3可以彼此距离l。在一种实现中，spdc1、spdc2、spdc3可以是非退化参量放大器，诸如约瑟夫森参量转换器(jpc)。每个spdc1、spdc2、spdc3耦合到sfg电路100，为了解释的目的，被指示为sfg100_1和100_2。每个spdc1、spdc2、spdc3是具有不相关光谱的独立光子对源。每个spdc1、spdc2、spdc3接收其自己的泵浦信号(未示出)，然后生成一对纠缠光子。

在图700中，spdc1被配置为生成纠缠光子701和702。光子701处于频率ω1，而光子702处于频率ω2。光子702从spdc1发送到sfg100_1。

spdc2被配置为生成纠缠光子703和704。光子703处于频率ω3，而光子704处于频率ω4。光子703从spdc2发送到sfg100_1。光子704从spdc2发送到sfg100_2。

spdc3被配置为生成纠缠光子705和706。光子705处于频率ω5，而光子706处于频率ω6。光子705从spdc3发送到sfg100_2。

响应于分别以频率ω2和ω3接收光子702和703，sfg100_1被配置为以频率ω2+ω3生成光子723。sfg100_1将光子723发送到光子微波探测器11，其中光子微波探测器11探测光子723。对于sfg100_1，光子702和703可以分别经由端口150a和150b作为信号和空载光子152、151被接收。

响应于分别以频率ω4和ω5接收光子704和705，sfg100_2被配置为以频率ω4+ω5生成光子745。sfg100_2将光子745发送到光子微波探测器12，其中光子微波探测器12探测光子745。对于sfg100_2，光子704和705可以分别经由端口150a和150b作为信号和空载光子152、151被接收。

光子探测器11对光子723(|1>ω2+ω3)的探测和光子探测器12(|1>ω4+ω5)对光子745的探测预示着光子701(|1>ω1)和706(|1>ω6)的远程纠缠。基于纠缠交换创建纠缠光子对701和706。

注意的是，图7示出了包括三个spdc和两个sfg的阵列的量子中继器设置的一个示例，但是可以根据需要将设置一般化/扩展到其之间具有距离l的n个spdc和n-1个sfg(在两个顺序spdc之间具有一个sfg)。

图8是根据一个或多个实施例的形成用于和频发生器100的电路的方法的流程图800。在方框805处，提供第一谐振器162(例如，信号谐振器)连接到约瑟夫森环形调制器(jrm)110。第一谐振器162被配置为接收处于第一频率fs的第一光子152(例如，信号微波信号)，该第一频率fs位于处于fa的基本谐振模式的带宽内。

在方框810处，第二谐振器161(例如，空载谐振器)连接到jrm110，并且第二谐振器161被配置为具有一次谐波而没有二次谐波。第二谐振器161被配置为接收处于第二频率fi的第二光子151(例如，空载微波信号)，该第二频率位于处于fb的基本谐振模式的带宽内，并且第一谐振器162被配置为输出上转换光子153(例如，上转换信号)。上转换光子153具有上转换频率fupc，该频率是第一频率fs和第二频率fi的组合。

基本谐振频率对于第一谐振器(fa)和第二谐振器(fb)大致相同。第一光子152的第一频率(fs)和第二光子151的第二频率(fi)大致相同。可以参考图3。

第二谐振器(fb)的基本谐振频率高于第一谐振器(fa)。第二光子151的第二频率(fi)高于第一光子152的第一频率(fs)。可以参考图4。

第一谐振器162具有二次谐波，其被配置为以上转换频率(fupc)输出上转换光子153。上转换光子153是来自第一光子152和第二光子151的能量之和。

第一谐振器162是半波长传输线谐振器(即，12a、12b和jrm110)，并且第二谐振器161是集总元件谐振器(即，11a、11b和jrm110)。第一谐振器162由两个微带部分形成，这两个微带部分在中心处的jrm110处相交。第二谐振器161由电容器11a和11b形成，每个电容器具有连接到jrm110的顶板和连接在一起(例如，经由地)的底板。顶板和底板由介电基板或介质分开。

图9是根据一个或多个实施例的用于第一量子位611和第二量子位612的远程纠缠的方法的流程图900。在方框905处，提供分别连接到第一量子系统601和第二量子系统602的和频发生器电路100。第一量子系统601包括第一量子位611，并且第二量子系统602包括第二量子位612。

在方框910处，和频发生器电路100被配置为远程纠缠第一量子位611和第二量子位612。通过接收输入读出信号605，第一量子系统601被配置为将处于第一频率ωr+ω的第一输出读出信号605′发送到和频发生器电路100，并且通过接收输入读出信号610，第二量子系统602被配置为在方框915处将处于第二频率ωr-ω的第二输出读出信号610′发送到和频发生器电路100。

在方框920处，和频发生器电路100被配置为输出具有作为第一频率ωr+ω和第二频率ωr-ω的组合/总和的上转换频率2ωr的上转换输出读出信号165，从而远程纠缠第一量子位611和第二量子位612。

第一输出读出信号605′包括第一量子位611的状态信息|e1>，|g1>，并且第二输出读出信号610′包括第二量子位612的状态信息|e2>，|g2>。

上转换输出读出信号615是第一和第二量子位611、612的状态信息|e1e2>，|e1g2>，|g1g2>，|g1e2>的叠加。

图10是根据一个或多个实施例的用于配置微波中继器700的方法的流程图1000。在方框1005处，提供第一和频发生器至最后一个和频发生器(例如，sfg100_1和100_2)。在方框1010处，提供第一自发参量下转换器件至最后一个自发参量下转换器件(例如，spdc1、2和3)。

在方框1015处，第一至最后一个和频发生器(例如，sfg100_1和100_2)中的每一个连接到第一至最后一个自发参量下转换器件(例如，spdc1，2和3)中的两个(即，接收来自其的光子)，使得第一至最后一个和频发生器中的每一个由第一至最后一个自发参量下转换器件中的两个共享。

在方框1020处，第一至最后一个和频发生器的总数(例如，n-1)比第一至最后一个自发参量下转换器件的总数(例如，n)小1。应该理解的是，虽然出于解释目的而非限制，在图7中仅示出了3个spdc器件(即，n)和仅2个sfg电路(即，n-1)，但是可以通过类比将n扩展到大于3。

由第一自发参量下转换器件(例如，spdc1)生成的第一光子701不由第一至最后一个和频发生器(sfg100_1和100_2)接收。由最后一个自发参量下转换器件(spdc3)生成的最后一个光子706不由第一至最后一个和频发生器(sfg100_1和100_2)中的任一个接收。第一至最后一个和频发生器(sfg100_1和100_2)被配置为引起第一和第二光子701和706的远程纠缠。第一至最后一个自发参量下转换器件(spdc1，2和3)是例如非退化的、三波混频放大器。

技术益处包括在微波域(例如1-30ghz)中操作的量子器件。该量子器件被配置为执行和频生成，即，将以频率fs，fi和动量ks，ki进入量子器件的端口的一对微波光子上转换为其能量和动量等于能量之和fupc＝fi+fs和输入光子的动量之和kupc＝ki+ks的出射光子。技术益处和优势包括两个量子位的远程纠缠，其中预示的纠缠生成足以用于分布式量子计算。该量子器件作为和频发生器是诸如用于量子通信的与器件无关的量子密钥分配方案中的关键元件。该量子器件作为和频发生器是用在量子通信中的量子微波中继器的关键元件。此外，技术益处包括通过创建组合微带谐振器和集总元件谐振器的混合型jpc，使得上转换信号除了信号和空载之外还是器件的谐振模式。另外，技术益处包括设计jrm和jrm的电磁环境，使得器件可以用作和频发生器，满足fupc＝fs+fi和γa，γb＜g3，γ2ph＜γc，其中

术语“约”及其变体旨在包括与基于提交申请时可用装备的特定量的测量相关联的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或5％、或2％的范围。

本文参考根据本发明的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明的各方面。将理解的是，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中的方框的组合可以由计算机可读程序指令来实现。

各图中的流程图和框图图示了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个方框可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实现指定的(一个或多个)逻辑功能的一条或多条可执行指令。在一些替代实现中，方框中提到的功能可以不按图中提到的次序发生。例如，连续示出的两个方框实际上可以基本上同时执行，或者这些方框有时可以以相反的次序执行，这取决于所涉及的功能。还应该注意的是，框图和/或流程图的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合可以由执行指定功能或动作或者执行专用硬件和计算机指令的组合的专用基于硬件的系统来实现。

已经出于说明的目的给出了对本发明的各种实施例的描述，但是并不旨在穷举或限制于本文讨论的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场中找到的技术的技术改进，或者使得本领域普通技术人员能够理解本文讨论的实施例。