低温集成电路或集成模块以及产生和提取信号的装置的制作方法

总体而言，本实用新型涉及量子计算，其中激励信号被导向到量子比特，并且量子比特输出信号被提取并进行信号处理。特别地，本实用新型涉及产生激励信号的方式和在这种系统中进行各种频率转换的方式。

背景技术：

量子计算涉及这样的任务：小心地导向产生的激励信号以激励量子比特，从而实施量子计算操作。在典型的固态量子比特中，例如超导量子比特中，激励信号的载波频率在几ghz的量级，即使信息带宽只是其一部分。量子计算电路只能够在极低的温度下操作，这是指远低于1k的温度，所以必须使用先进的低温恒温器。

图1示出了用于产生到量子比特的激励信号的已知装置。载波发生器(cwg)101产生载波信号，该载波信号的频率例如可以是在5到10ghz之间。任意波发生器(awg)102使用低得多的频率产生输送期望的信息的波形。载波和信息波形在混合器103中混合在一起，混合器103作为上变换器操作。信号线104将产生的激励信号从室温环境传送到低温冷却环境。

只要仅有有限数量的量子比特，在图1中示出的方法就合理地工作得很好，需要产生激励信号用于该量子比特。然而，随着量子电路的技术更成熟，并且靠近量子计算能够在性能上真正地超过经典计算的极限，发展了具有越来越多的量子比特的量子电路。一方面在亚开尔文温度下的有限的冷却能力的技术要求和另一方面在室温控制电子器件之间的高频连接，导致了一定的复杂和繁琐。这自身表现为通过从室温到低温环境的信号路径中的热负载和信号耗散的高功率消耗，并且这种系统需要大的物理空间，并且最终限制了量子计算基础结构的可扩展性。然而，值得注意的因素是，在量子比特控制中需要的信息带宽明显低于图1的常规装置中在室温和低温阶段之间需要的带宽。相比于在几ghz范围内的频率，在awg输出的频率范围下输送低温恒温器信号简单得多。

技术实现要素：

目的是提供一种方法和装置，其采用在室温和低温冷却环境之间能够使接口处的硬件实施更简单的方式，产生到量子比特的激励信号。另外一个目的是，使得能够产生到低温恒温器具有有限的热负载的激励信号。其他的目的是，使得能够以通用频率产生到量子比特的激励信号。还有其他的目的是，对于设计用于激励量子比特的硬件界面的方式提供了相当大的自由。

本实用新型的目的通过利用一种特定类型的放大器作为混频器来实现，该混频器可以在低温冷却环境内执行激励信号的上变换。

根据第一方面，提供了一种低温集成电路或集成模块。低温集成电路或集成模块包括：放大器，其是行波参数放大器或约瑟夫逊参数放大器，并且包括至少一个放大器输入和放大器输出；和振荡器，其被配置为产生振荡驱动信号并且通过所述至少一个放大器输入将所述振荡驱动信号耦合到所述放大器。低温集成电路或集成模块还包括：信号输入，其被配置为通过所述至少一个放大器输入将输入信号耦合到所述放大器中；偏置输入，其被配置为将偏置信号耦合到所述振荡器；和信号输出，其配置将来自所述放大器输出的输出信号输送出低温集成电路或集成模块。

根据一个实施例，低温集成电路或集成模块包括定向耦合器或功率组合器，其具有第一耦合器输入、第二耦合器输入和耦合器输出，其中第一耦合器输入耦合到信号输入，第二耦合器输入耦合到振荡器，并且耦合器输出耦合到至少一个放大器输入。这具有以下优点：放大器可以被供给有组合输入信号，该组合输入信号包括信息传送信号和振荡驱动信号，所有组合输入信号均具有在同一低温集成电路或集成模块上实现的分量。

根据一种实施例，在所述至少一个放大器输入之中是放大器信号输入和放大器驱动输入。在这种情况下，所述信号输入可以通过所述放大器信号输入将所述输入信号耦合到所述放大器中，并且所述振荡器可以将所述振荡驱动信号耦合到所述放大器驱动输入。这具有以下优点：如果需要，放大器可以被供给有单独的信息携带信号和振荡驱动信号。

根据一种实施例，低温集成电路或集成模块包括时钟参考输入，其被配置为将参考时钟信号耦合到所述振荡器中。这具有以下优点：可以利用外部参考时钟信号来控制振荡器，所述振荡器自身位于低温集成电路或集成模块内。

根据一种实施例，低温集成电路或集成模块包括耦合在所述参考时钟输入和所述振荡器之间的倍频器。这具有以下优点：可以从外部源以更有利的、更低的频率引入外部参考时钟信号。

根据一种实施例，低温集成电路或集成模块包括耦合在所述倍频器和所述振荡器之间的带通滤波器。这具有以下优点：较高频率处的参考时钟信号可以以准确的、严格限定的形式引入振荡器。

根据一种实施例，所述放大器和所述振荡器被一体集成到共有基板上。这具有以下优点：可以获得非常高的集成度，使得可以在单个过程中制造相对完整的低温芯片。

根据一种实施例，所述倍频器与所述放大器和所述振荡器一起被一体集成在所述共有基板上。这具有以下优点：可以获得非常高的集成度，使得可以在单个过程中制造相对完整的低温芯片。

根据一种实施例，所述倍频器和所述带通滤波器与所述放大器和所述振荡器一起被一体集成在所述共有基板上。这具有以下优点：可以获得非常高的集成度，使得可以在单个过程中制造相对完整的低温芯片。

根据一种实施例，所述放大器在第一芯片上，所述振荡器在第二芯片上，并且所述第一芯片和第二芯片通过例如线接合或倒装片接合的接合方法被集成在一起。这具有以下优点：可以从专用制造工序获得放大器和振荡器，该工序可以针对每个芯片的要求的特征单独进行优化。

根据一种实施例，所述放大器在第一芯片上，所述振荡器在第二芯片上，并且所述第一芯片和第二芯片是在共有的功能性连接的模块中单独封装的器件，该模块构成了低温集成电路或集成模块。这具有以下优点：可以从专用制造工序获得放大器和振荡器，该工序可以针对每个芯片的要求的特征单独进行优化。

根据一种实施例，所述放大器是第一放大器，使得所述至少一个放大器输入是至少一个第一放大器输入，并且所述放大器输出是第一放大器输出。同样，所述振荡器可以是第一振荡器，其被配置为产生第一振荡驱动信号并且通过所述至少一个第一放大器输入将所述第一振荡驱动信号耦合到所述第一放大器中。低温集成电路或集成模块可以包括第二放大器以及第二振荡器，该第二放大器是行波参数放大器或约瑟夫逊参数放大器，并且包括至少一个第二放大器输入和第二放大器输出，该第二振荡器被配置为产生第二振荡驱动信号并且通过所述至少一个第二放大器输入将所述第二振荡驱动信号耦合到所述第二放大器。第一放大器输出被耦合到所述至少一个第二放大器输入，并且所述第二放大器输出被耦合到所述信号输出。这具有以下优点：可以在级联放大器的链中获得更广泛的频率转换，所有频率转换都在同一低温集成电路或集成模块内。

根据一种实施例，所述放大器是第一放大器，使得所述至少一个放大器输入是至少一个第一放大器输入，并且所述放大器输出是第一放大器输出。所述信号输入可以是第一信号输入，并且被配置为通过所述至少一个第一放大器输入将输入信号耦合到所述第一放大器中。低温集成电路或集成模块可以包括第二放大器，该第二放大器是行波参数放大器或约瑟夫逊参数放大器，并且包括至少一个第二放大器输入和第二放大器输出。此外，低温集成电路或集成模块可以包括功率分配器或定向耦合器，其被配置为将所述振荡驱动信号分配到所述至少一个第一放大器输入和所述至少一个第二放大器输入中。这具有以下优点：同一低温集成电路或集成模块内的两个放大器可以共享来自共有振荡器的振荡驱动信号，该共有振荡器也是同一低温集成电路或集成模块的一部分。

根据一种实施例，低温集成电路或集成模块包括第二信号输入，其被配置为通过所述至少一个第二放大器输入将输入信号耦合到所述第二放大器中。低温集成电路或集成模块可以包括功率组合器，其具有第一组合器输入、第二组合器输入和组合器输出。所述第一放大器输出可以耦合到所述第一组合器输入，所述第二放大器输出可以耦合到所述第二组合器输入，并且所述组合器输出可以耦合到低温集成电路或集成模块的所述信号输出。这具有以下优点：来自两个并联放大器的信号可以在低温集成电路或集成模块内组合。

根据一种实施例，所述振荡器是第一振荡器，其被配置为产生第一振荡驱动信号，并且所述低温集成电路或集成模块包括第二振荡器，其被配置为产生第二振动驱动信号。所述第一放大器和第二放大器中的每一个可以是两级级联放大器，其中每一级是行波参数放大器或约瑟夫逊参数放大器。所述第一振荡器可被配置为将所述第一振荡驱动信号输送到所述第一放大器和第二放大器的每一个的第一级，并且所述第二振荡器被配置为将所述第二振荡驱动信号输送到所述第一放大器和第二放大器的每一个的第二级。这具有以下优点：可以在同一低温集成电路或集成模块中利用级联放大器链和并联放大器的有利特征。

根据一种实施例，所述信号输出是第一信号输出，并且低温集成电路或集成模块包括第二信号输出，其被配置为将来自所述第二放大器输出的输出信号输送出低温集成电路或集成模块。这具有以下优点：可以将来自低温集成电路或集成模块的输出输送到系统中的不同用途。

根据一种实施例，信号输出被配置为，在相应的行波参数放大器或约瑟夫逊参数放大器的闲置频率上，将来自所述放大器输出的所述输出信号输送出低温集成电路或集成模块。这具有以下优点：可以将行波参数放大器或约瑟夫逊参数放大器用作变频器，这在选择系统中的其他频率水平上给予了更大的自由度。

根据第二方面，提供了一种用于产生激励信号的装置，其用于在低温冷却环境中的量子比特。该装置包括：在低温冷却环境中的至少一个上述类型的低温集成电路或集成模块；波形发生器，其位于所述低温冷却环境外；以及信号线，其从所述波形发生器到低温集成电路或集成模块的所述信号输入。

根据一种实施例，所述波形发生器被配置为产生频率小于2.5ghz的波形，并将其输送到所述信号线中。这具有以下优点：与具有较高频率相比，在室温环境之间建立信号线连接明显变得更简单。

根据一种实施例，该装置包括：dc偏置源，其位于所述低温冷却环境外；以及dc偏置线，其从所述dc偏置源到所述低温集成电路或集成模块的dc偏置输入；或第一dc偏置线和第二dc偏置线，其从所述dc偏置源到相应的所述低温集成电路或集成模块的dc偏置输入。这涉及的优点是，可以利用dc偏置信号来控制低温冷却环境内的电路系统。

根据一种实施例，该装置包括：时钟参考源，其位于所述低温冷却环境外；以及时钟参考线，其从所述时钟参考源到所述振荡器的时钟参考输入；或第一时钟参考线和第二时钟参考线，其从所述时钟参考源到相应的所述第一振荡器和第二振荡器的时钟参考输入。这具有以下优点：可以利用参考时钟信号控制低温冷却环境内的电路系统。

根据第三方面，提供了一种用于从位于低温冷却环境中的量子计算系统提取量子比特输出信号的装置。该装置包括：至少一种上述类型的低温集成电路或集成模块，其在所述低温冷却环境内；从所述量子计算系统到低温集成电路或集成模块的所述信号输入的耦合；以及信号线，其通过低温预放大器从低温集成电路或集成模块的所述信号输出到处理系统，处理系统在所述低温冷却环境外。

根据一种实施例，信号输出被配置为，在相应的行波参数放大器或约瑟夫逊参数放大器的闲置频率上，将来自所述放大器输出的输出信号输送出低温集成电路或集成模块，所述闲置频率小于来自所述量子计算系统的所述量子比特输出信号的频率。这具有以下优点：可以利用放大器的频率下变频特征，以便将输出信号的频率带到更有利的水平上。

根据一种实施例，信号输出被配置为，在相应的行波参数放大器或约瑟夫逊参数放大器的输出频率上，将来自所述放大器输出的所述输出信号输送出低温集成电路或集成模块，所述输出频率与来自所述量子计算系统的所述量子比特输出信号的频率一样。这具有以下优点：在输出信号上作用最小的失真和最大的放大。

附图说明

附图被包括以提供本实用新型的进一步理解，并且构成了本说明书的一部分，附图示出了本实用新型的实施例，并且与说明书一起帮助解释本实用新型的原理。在图中：

图1示出了用于产生到量子比特的激励信号的已知装置；

图2示出了产生到量子比特的激励信号的示例实施例；

图3示出了在行波参数放大器的使用中涉及的频率的示例；

图4示出了使用行波参数放大器和滤波器的示例实施例；

图5示出了在两个级联行波参数放大器的使用中涉及的频率的示例；

图6示出了使用两个级联行波参数放大器和滤波器的示例实施例；

图7示出了在组合两个频率或相位分量的配置中使用行波参数放大器和滤波器的示例实施例；

图8示出了在组合两个频率或相位分量的配置中使用两个行波参数放大器和滤波器级的示例实施例；

图9示出了在产生用于量子比特的激励信号的两个并联的分支中利用共有的泵浦频率的示例实施例；

图10示出了低温集成电路的一部分；

图11示出了基于约瑟夫逊效应的振荡器电路；

图12示出了应用图2的原理的更详细的方式；

图13示出了用于将量子比特的输出信号提取到信号处理的已知装置；

图14示出了处理来自量子比特的输出信号的示例实施例；

图15示出了图14的原理的变体。

具体实施方式

图2在更高的抽象水平上示出了用于产生到量子比特的激励信号的装置。如图1，在图2中有室温环境(垂直虚线的左边)和低温冷却环境(右边)。作为示例，低温冷却环境可以位于低温恒温器的内部，该低温恒温器自身位于室温环境。指定“室温”不应该限制为实际上要求室温环境下的环境条件与人们居住和工作的房间中的环境条件相对应。它更像是反映在图2中的左边的条件不要求低温冷却到在低温冷却环境中建立的温度。在低温冷却环境中的环境条件可以涉及极低的温度，例如仅几开尔文，甚至大大少于一开尔文，如在仅几毫开尔文的量级。最低的温度可以仅在低温冷却环境的一部分中存在，因为可能会有逐渐降低温度的冷却阶段。指出系统的一些部分位于低温冷却环境并不涉及该部分位于何种阶段。在低温冷却环境中的环境条件也可以涉及高真空，因为通常需要围绕的高真空作为用于维持涉及的低温的热绝缘。

在室温环境中，位于低温冷却环境外的波形发生器201被配置为通过信号线202将频率小于2.5ghz的波形输送到低温冷却环境中。在有利的实施例中，通过信号线202输送的波形的频率可以小于1.5ghz。这些波形旨在将用于在量子控制(也已知为量子驱动)中使用的信息传送到低温冷却环境中。相较于例如在图1中示出的先前的方案，例如，更低的频率可以提供在设计信号布线和接线上的自由。它也可以允许导电材料的更小的横截面，导致更低的热负载，并且因此减少了冷却需要。也更容易设计在连接上允许更大密度的布线，导致在布线中要求的每覆盖面积的数据率更高。

位于低温冷却环境内的振荡器203被配置为产生频率足够高的振荡驱动信号，以用于在低温冷却环境下控制(或驱动)量子比特。由振荡器203产生的振荡驱动信号的频率可以是例如在2.5ghz和20ghz之间的范围内，这根据在量子比特及其支持电路中涉及的特征频率。

电路元件204位于低温冷却环境，并且用于根据从波形发生器201接收的波形和从振荡器203接收的振荡驱动信号产生实际的量子比特驱动信号。可以替代电路元件204的电路元件及其组合的有利实施例将在以下更详细地描述。

图3和图4示出了在电路元件的组合中使用行波参数放大器(twpa)或约瑟夫逊参数放大器的一些特征，其可以替代在图2中示意性示出的电路元件204。尽管行波参数放大器可以被视为所有约瑟夫逊参数放大器的子类别，但是对于以下描述具有重要意义的那些工作特征对于所有约瑟夫逊参数放大器都是共有的。为了保持表达简短，在下文中将使用缩写twpa用于任何行波参数放大器或约瑟夫逊参数放大器。

如图3示出，对于twpa的特征在于，它接收在输入频率f入的输入信号，并且还接收在泵浦频率f泵浦的所谓的泵浦信号，所述泵浦频率f泵浦高于输入频率f入。此处使用简化的符号，其中输入信号由频率符号f入指代，表示它们为单频分量。在所有图示中，除非另有说明，否则我们假定输入信号是具有时域控制特性的波形，其包含信号信息，并且因此具有有限的带宽。泵浦信号也可以称为振荡驱动信号。twpa的放大输出信号出现在输入频率f入处，如图3中的柱301示出(放大器输入信号未在图3中示出)。在twpa中，对应于泵浦信号f泵浦(图3中更高的振幅柱302)的功率被部分地转换为闲置频率f闲置303，其传送与f入相同的信息，但是相对于泵浦频率f泵浦位于其镜像。闲置信号也可以相对于输入信号被放大。twpa的有益特征是相对较宽的带宽，其中f闲置可以处于明显高于f泵浦的频率。

如果在应用中需要从信号拒绝额外的频率分量，则可以通过在其输出处使用合适的滤波器(如带通滤波器或高通滤波器)从twpa选择期望的输出频率。在图3中，示意性地示出了带通滤波器的通带304，其以闲置频率f闲置为中心。这种装置是指，代替在输入频率f入处的放大的输出信号，利用在闲置频率f闲置处的闲置信号作为来自twpa的期望的输出频率。

在图4中，示出了具有第一放大器输入402和第二放大器输入403的twpa401。输入信号频率f入处的输入信号通过第一放大器输入402耦合到twpa401。泵浦频率f泵浦处的泵浦信号通过第二放大器输入403耦合到twpa401。一些twpa类型被设计成，使得可以通过共有输入将输入信号和泵浦信号耦合到twpa，因此在本实施例和其他示出实施例中，提供单独的第一放大器输入和第二放大器输入必须仅视为说明性示例。也不排除提供两个以上的放大器输入。在通常情况下，twpa可以说包括至少一个放大器输入，使得输入信号和泵浦信号(或振荡驱动信号)通过至少一个放大器输入耦合到twpa中。通过其获取输入信号的放大器输入可以称为放大器信号输入，而通过其获取泵浦信号的放大器输入可以称为放大器驱动输入。

图4中示出的装置包括振荡器404，其配置为产生泵浦频率f泵浦处的泵浦信号(或振荡驱动信号)。输入信号频率f入处的输入信号可能来自低温集成电路或集成模块的信号输入，该低温集成电路或集成模块的一部分是twpa401和振荡器404。而且，在图4示出的装置中，耦合到twpa的放大器输出406的带通滤波器405可以是相同的低温集成电路或集成模块的一部分。右边是示意性地示出的示例，关于twpa401的输出信号在通过带通滤波器405之后的样子。在图4中，载波频率自身表现为快速振荡，振幅包络线和相位遵循twpa通过第一信号输入402作为输入信号接收的波形。

在一些情况下，期望的频率转换可能比使用单个twpa可以实现的转换更广泛。在这种情况下，可以链接twpa，使得第一twpa的滤波后的输出信号用作第二twpa的输入信号。如果以合适的方式选择频率，则可以利用针对不同频带进行优化的这种链接的twpa，以产生越来越高的输出频率。图5和图6示出了示例，其中从第一振荡器602获取的第一twpa601的泵浦频率f泵浦1高于第一twpa601的输入频率f入。这意味着第一twpa601的输出频率之一是闲置频率f闲置，它是在泵浦频率f泵浦1另一侧的输入频率f入的镜像。第一带通滤波器603用于选择第一twpa601的闲置频率f闲置1作为第二twpa604的输入信号频率，第二twpa604从第二振荡器605接收甚至更高的频率作为其泵浦频率f泵浦2。

第二带通滤波器606用于选择第二twpa604的闲置频率f闲置2作为链接的twpa装置的输出信号频率。链接的twpa装置的输出信号具有一种载波频率，在图6的右边的图示中示出为快速振荡，该载波频率在第二带通滤波器606的通带内。输出信号的包络曲线遵循第一twpa601通过其第一信号输入作为输入信号接收的波形。

图7至图9示出了在低温集成电路或集成模块中利用两个或更多个twpa的一些其他可能性。通常，低温集成电路或集成模块是使用一种或多种集成技术将电路元件构建在一起的设备，所述电路元件设计用于在低温温度下操作。这种技术的示例随后将在本文中更详细地描述。

注意，twpa要求振荡驱动信号，低温集成电路或集成模块可以具有振荡器和twpa的各种组合。根据一个示例实施例，低温集成电路或集成模块可以包括第一twpa和第二twpa。如果到低温集成电路或集成模块有特定的信号输入，则其可以被配置为通过其放大器输入将输入信号耦合到第一twpa中。低温集成电路或集成模块然后可以包括功率分配器或定向耦合器，该功率分配器或定向耦合器被配置为将来自共有振荡器的振荡驱动信号分配为第一twpa和第二twpa的放大器输入。可选地，在低温集成电路或集成模块中可以有两个振荡器，每个振荡器将振荡驱动信号提供到其自己专用的twpa的放大器输入中。

在图7的实施例中，有并联配置的第一twpa701和第二twpa702。第一twpa701的输入包括第一放大器信号输入703和第一放大器驱动输入704，并且第一twpa具有第一放大器输出705。第二twpa702的输入包括第二放大器信号输入706和第二放大器驱动输入707，并且第二twpa具有第二放大器输出708。低温集成电路或集成模块包括第一信号输入709和第二信号输入710，它们被配置为分别将频率f入1和f入2处的输入信号耦合到第一twpa701的放大器信号输入703和第二twpa702的放大器信号输入706。

图7的低温集成电路或集成模块包括振荡器711和功率分配器或定向耦合器712，所述振荡器711被配置为产生频率f泵浦处的振荡驱动信号，所述功率分配器或定向耦合器712被配置为将振荡驱动信号分配为第一twpa701的第一放大器驱动输入704和第二twpa702的第二放大器驱动输入707。此外，图7的低温集成电路或集成模块包括功率组合器713，功率组合器713具有第一组合器输入714、第二组合器输入715和组合器输出716。第一放大器输出705通过第一带通滤波器717耦合到第一组合器输入714。第二放大器输出708通过第二带通滤波器718耦合到第二组合器输入715。

可以发现图7的实施例是有益的，如果需要组合来自两个不同源的信号。在信号发生器产生输入信号f入1和f入2的信号产生能力受到严格限制的情况下，这样组合信号对于信号发生器可能是有益的。例如，如果将输入信号f入1和f入2严格限制为具有可调谐的振幅但没有可控制的相位的单个频率，使得f入1＝f入2，则可以使用该组合来实现任意的相位控制。另一种应用是，如果f入1≠f入2，则将信号形成为两个频率的组合，例如，在涉及多路复用的一些应用中，这可能是有益的。

图8示出了图6的级联的实施例和图7的并联的实施例如何组合。图8的低温集成电路或集成模块包括第一振荡器801和第二振荡器802，所述第一振荡器801被配置为产生第一泵浦频率f泵浦1处的第一振荡驱动信号，所述第二振荡器802被配置为产生第二泵浦频率f泵浦2处的第二振荡驱动信号。第一放大器803和第二放大器804中的每一个均是两级级联放大器，其中每一级均是twpa。第一振荡器801被配置为将第一振荡驱动信号输送至第一放大器803和第二放大器804的每一个的第一级，并且第二振荡器802被配置为将第二振荡驱动信号输送至第一放大器803和第二放大器804的每一个的第二级。

在图8中明确示出了功率分配器或定向耦合器805，所述功率分配器或定向耦合器805用于将来自第一振荡器801的第一振荡驱动信号引导至第一放大器803和第二放大器804的第一级；可以将另一个功率分配器或定向耦合器与第二振荡器802结合使用。频率f入1和f入2处的两个输入信号耦合到放大器803和804中相应的第一级的放大器信号输入，通过功率组合器806将放大器803和804的相应第二级的输出耦合在一起，遵循在以上参考图7解释的先前实施例中看到的图案。

图9示出了低温集成电路或集成模块，其中两个并联twpa共享其振荡驱动信号的共有源。第一twpa701和第二twpa702、振荡器711以及功率分配器或定向耦合器712的耦合和配置与图7中的相同。然而，来自第一放大器输出705和第二放大器输出708的输出信号没有进行任何类型的组合，而是它们中的每一个经由相应的带通滤波器717或718耦合到相应的低温集成电路或集成模块的第一信号输出901或第二信号输出902。

图10示出了低温集成电路或集成模块的示例实施例。它包括放大器1001，该放大器是行波参数放大器或约瑟夫逊参数放大器。遵循本文前面介绍的做法，放大器1001简称为twpa。它包括放大器输入1002和放大器输出1003。振荡器1004被配置为产生振荡驱动信号，并通过放大器输入1002将振荡驱动信号耦合到放大器1001中。在该实施例中，低温集成电路或集成模块包括功率组合器或定向耦合器1005，其具有第一耦合器输入和第二耦合器输入以及耦合器输出。低温集成电路或集成模块的信号输入1006耦合到第一耦合器输入，振荡器1004耦合到第二耦合器输入，并且耦合器输出耦合到放大器输入1002，以组合来自振荡器1004的振荡驱动信号与来自信号输入1006的输入信号。放大器输出1003构成了低温集成电路或集成模块的信号输出，即，其被配置为将来自放大器1001的输出信号输送出低温集成电路或集成模块。

对于构成低温集成电路或集成模块一部分的任何振荡器，可能会有一个或多个控制输入。在图10的实施例中，低温集成电路或集成模块包括时钟参考输入1007，其被配置为将参考时钟信号耦合到振荡器1004中。在图10的实施例中，低温集成电路或集成模块另外包括倍频器1008，其耦合在时钟参考输入1007与振荡器1004之间。示出了可选的带通滤波器1009耦合在倍频器1008与振荡器1004之间。

根据图10的低温集成电路或集成模块可以表现出其组件的各种程度的集成。根据一个实施例，至少放大器1001和振荡器1004被一体集成到共有基板上。根据另一实施例，倍频器1008与放大器1001和振荡器1004一体地集成在共有基板上。根据另一实施例，放大器1001在第一芯片上，振荡器1004在第二芯片上，并且第一芯片和第二芯片通过例如线接合或倒装片接合(flip-chip-bonding)的接合方法集成在一起。根据另一实施例，放大器1001在第一芯片上，振荡器1004在第二芯片上，并且第一芯片和第二芯片是在共有的功能性连接的模块中单独封装的器件，所述模块构成了低温集成电路或集成模块。

在优选实施例中，振荡器是基于约瑟夫逊效应，并且通常被称为约瑟夫逊振荡器或约瑟夫逊激光器。这种方法的益处是它与twpa制造过程的技术兼容性(通常基于约瑟夫逊效应本身)，这有利于集成方法。图11示出了所谓的约瑟夫逊振荡器的示例性实施例，该约瑟夫逊振荡器可以用作本文中描述的任何振荡器。基本概念是使至少一个约瑟夫逊结通过至少一个谐振器(称为分流谐振器)分流。有许多可能的谐振器实现，既有分布式的又有集总的，该谐振器实现可用于实现合适的分流谐振模式，因此图11中的图示应该仅被视为概念目的性的。

振荡信号输出在图11的左侧，其中示意性示出的负载1101可以是twpa输入，振荡器的输出信号作为泵浦信号耦合到其中。负载1101还可以是功率组合器或定向耦合器的输入，该功率组合器或定向耦合器用于组合振荡信号和导向twpa的输入信号。

根据特定的实施例，twpa要求的泵浦功率可能在10pw至1nw的范围内。由振荡器产生的功率应符合此要求。由约瑟夫逊振荡器产生的功率的数量级估计为vic，其中v是跨越约瑟夫逊结的电压，而ic是该结的临界电流。它遵循众所周知的约瑟夫逊关系，即v＝φ0f，其中φ0≈2.07x10^-15wb是通量量子，并且f是产生的频率。在图11中，产生的频率f靠近分流谐振器的特征频率ωr/2π。由于f-并且因此对ωr-的要求来自被退出或被读出的量子比特系统的频率范围要求，所以振荡器的功率范围可以通过设计，通过选择临界电流ic的来确定。对于f＝5ghz的典型情况，可以推断出：从1μa至100μa的范围内选择临界电流满足了输出功率的标准，以匹配twpa的典型要求的泵浦功率10pw至1nw。利用同样与twpa制造兼容的约瑟夫逊结技术，可以实现这种范围的临界电流。

在共同待审专利申请第fi20195189号中给出了这种类型的约瑟夫逊振荡器的更详细的描述。对于具有与临界电流相同数量级的合适的偏置电流ib，该结与谐振器同步，并且相干辐射被发射到负载1101中。已发现发射到负载电阻器中的模拟时间分辨电压遵循清晰的正弦特性，其中振荡周期靠近ωr/2π。

发电效率η＝p出/p入可能是优化器件参数的整体的很大一部分。因此，在产生的微波信号之上将不会有明显的功率负载效应。利用上述类型的典型twpa功率要求范围和典型的低温恒温器冷却能力(例如20mk时为10μw)可以集成多达数千甚至数十万个振荡器，而不受低温恒温器的热容量的限制。在这方面，可以预期该方法将有助于在低温微波频率应用的可扩展性上超越现有技术。

图12示出了用于产生激励信号的装置的示例实施例，该激励信号用于在低温冷却环境中的量子比特。低温冷却环境在附图的右边，并且包括至少一个低温集成电路或集成模块1201。在图12中使用了简化的图形表示。至少一个低温集成电路或集成模块1201可以具有例如先前参考图4、6、7、8、9或10描述的任何内部配置。例如，即使在图12中仅示出了一个振荡器和一个twpa，低温集成电路或集成模块1201也可以包括两个或多个振荡器和两个或多个twpa，并且其可以用各种方式互相连接，正如先前参考4、6、7、8、9和10描述的。

波形发生器1202位于低温冷却环境外；在图12的实施例中，它位于所谓的室温环境中。此处，以及在下面的其他示例实施例中，低温冷却环境和室温环境的特征可以类似于先前参考图2解释的特征。该装置包括信号线1203，其从波形发生器1202到低温集成电路或集成模块1201的信号输入1204。波形发生器1202可以被配置为产生频率小于2.5ghz的波形并将其输送到信号线1203中。根据一种有利的实施例，波形发生器1202可以被配置为产生频率小于1.5ghz的波形并将其输送到信号线1203中。

低温集成电路或集成模块1201包括偏置输入1205，该偏置输入1205被配置为将偏置信号耦合到其中包含的振荡器中。典型的偏置信号是dc偏置电压和电流，其中表达dc应该被认为是指恒定值的信号、或者相对于涉及的振荡信号的振荡频率仅非常缓慢地变化的信号。dc偏置信号可以被脉冲化，这意味着在有效脉冲期间，偏置信号在第一值上基本上恒定，并且在脉冲之间，其在第二值上基本上恒定，所述第二值可以为零。任何合适类型的dc偏置源都可以位于低温冷却环境外。可以将dc偏置线1206设置为从dc偏置源到低温集成电路或集成模块1201的dc偏置输入。如果低温集成电路或集成模块1201的两个或多个振荡器或其他部分可以利用偏置控制，则从dc偏置源到低温集成电路或集成模块1201的相应的dc偏置输入可以有两条或多条dc偏置线。

此外，低温集成电路或集成模块1201被示出为包括时钟参考输入1207，该时钟参考输入1207被配置为将参考时钟信号耦合到其中包含的振荡器中。典型的时钟参考信号是在一些准确已知的参考频率和相位下细致稳定的振荡信号。在共同待审专利申请第ep20156207.1号中公开了用于从室温环境向低温冷却环境提供时钟参考信号的有利示例性装置。任何合适类型的时钟参考源可以位于低温冷却环境外。时钟参考线1208可以设置为从时钟参考源到低温集成电路或集成模块1201的时钟参考输入。如果低温集成电路或集成模块1201的两个或多个振荡器或其他部分可以利用参考时钟信号，则可以有两条或多条从时钟参考源到低温集成电路或集成模块1201的相应的时钟参考输入的时钟参考线。

上面已经描述了各种方案和装置，其中利用了一个或多个twpa的上变换特征：低温集成电路或集成模块的信号输出被配置为，在相应的twpa的闲置频率处将输出信号输送出其放大器输出。可以注意到，如果泵浦频率高于初始输入信号频率，则闲置频率高于初始输入信号频率。然而，twpa的操作是对称的，即如果泵浦频率低于初始输入信号频率，则闲置频率将再次是初始输入信号频率的镜像，但在泵浦频率的另外的、更低的一侧。换句话说，也可以将twpa用作下变换器。下面描述了利用该特性的一些有利方式。

首先，图13示出了从位于低温冷却环境中的量子计算系统提取量子比特输出信号的已知方式。如上文的图1，位于室温环境中的载波发生器(cwg)101产生载波信号，其频率可以例如在5和10ghz之间。信号线104将载波信号从室温环境传送到低温冷却环境，其用作twpa1301的驱动信号或泵浦频率信号。来自量子计算系统(未单独在图13中示出)的量子比特输出信号被耦合到twpa的放大器信号输入中。twpa的任务是放大量子比特输出信号并产生相应的放大信号，其在图13的已知装置中在泵浦频率处获取。该放大信号在5至10ghz的频率范围内被送至低温预放大器1302，并从其输出通过另外的信号线1303离开低温冷却环境。

在室温环境下，通过信号线1303的信号可以在放大器1304中进一步放大，在放大器1304之后在混频器1305中进行下变换，从另外的载波发生器1306获取混合频率到该混频器1305。然后将产生的下变频信号进行数字信号处理，以利用其输送的信息；此信息源自于低温冷却环境中的量子计算系统。

图13中示出的已知装置共享先前已经参考图1描述的缺点。它要求两条信号线，它们能够在室温环境和低温冷却环境之间传送甚高信号(例如，在5至10ghz之间的范围内)。随着量子计算系统变得越来越大并具有越来越多的量子比特，甚高频信号线的数量分别增加，这使得系统的构建变得复杂。

图14示出了用于从位于低温冷却环境中的量子计算系统提取量子比特输出信号的更有利的装置。该装置至少包括低温集成电路或集成模块1401。至少一个低温集成电路或集成模块1401可以具有例如先前参照图4、6、7、8、9或10描述的任何内部配置。例如，即使在图14中仅示出了一个振荡器和一个twpa，低温集成电路或集成模块1401也可以包括两个或多个振荡器和两个或多个twpa，并且它们可以用各种方式互相连接，正如先前参考图4、6、7、8、9和10描述的。

关于室温环境中可能的偏置输入1205、可能的dc偏置线1206、可能的时钟参考输入1207、可能的时钟参考线1208以及可能的dc偏置源和时钟参考源，这些可以与先前已经参考图12描述的类似。然而，代替使用来自低温冷却环境外的任何信号线，有从量子计算系统到低温集成电路或集成模块1401的信号输入1402的耦合。

在低温集成电路或集成模块1401中来自twpa的输出信号以twpa的闲置频率获取。信号线1403从低温集成电路或集成模块1401的信号输出经过低温预放大器1404到达低温冷却环境外的处理系统；在图14中示出了处理系统的第一放大器1406。低温预放大器1404和离开低温冷却环境的信号线1405都只需要针对工作频率比图13的系统低得多的频率上的操作进行优化。此处给出所述频率低于2.5ghz的示例性特征。在有利的实施例中，所述频率可以低于1.5ghz。这是因为低温集成电路或集成模块1401的信号输出被配置为，在相应twpa的闲置频率上输送来自twpa放大器输出的输出信号。在这种情况下，闲置频率小于来自量子计算系统的量子比特输出信号的频率。

这样，还可以在twpa输出处不使用闲置频率的系统中，利用上述类型的低温集成电路或集成模块的有利特性。图15示出了这样的实施例，其在其他方面类似于图14的实施例，但是低温集成电路或集成模块1501的信号输出被配置为，以与量子比特输出信号的频率相同的输出频率，从量子计算系统输送来自相应的twpa的放大器输出的输出信号。现在，离开低温冷却环境的信号路径与图13中的信号路径类似。然而，例如，如果在低温集成电路或集成模块1501中使用有利的并联配置(如图9中的并联配置)，仍可以通过将来自多个量子比特的输出多路复用到离开低温冷却环境的共有信号路径中来获得优点。这样做的益处还在于，节省了从室温供给twpa驱动信号的需要，其中实现了系统的一些简化。

对于本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，可以以各种方式来实现本实用新型的基本思想。因此，本实用新型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。