特許 6788734 和周波数生成器のための回路およびそれを形成する方法、第１のキュービットおよび第２のキュービットの遠隔エンタングルメントのための方法、ならびにマイクロ波中継装置を構成するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6788734

(24)【登録日】2020年11月4日

(45)【発行日】2020年11月25日

(54)【発明の名称】和周波数生成器のための回路およびそれを形成する方法、第１のキュービットおよび第２のキュービットの遠隔エンタングルメントのための方法、ならびにマイクロ波中継装置を構成するための方法

(51)【国際特許分類】

   H03K 3/38 20060101AFI20201116BHJP

   G02F 1/35 20060101ALI20201116BHJP

【ＦＩ】

   H03K3/38 A

   G02F1/35

【請求項の数】16

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2019-518097(P2019-518097)

(86)(22)【出願日】2017年9月13日

(65)【公表番号】特表2020-504466(P2020-504466A)

(43)【公表日】2020年2月6日

(86)【国際出願番号】IB2017055520

(87)【国際公開番号】WO2018073668

(87)【国際公開日】20180426

【審査請求日】2020年1月30日

(31)【優先権主張番号】15/295,251

(32)【優先日】2016年10月17日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100108501

【弁理士】

【氏名又は名称】上野 剛史

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(72)【発明者】

【氏名】アブド、バレーフ

【審査官】 角張 亜希子

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１６−５４１１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５２６４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１８−５３８６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１８／１５９８３２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ１／００−１／１２５

１／２１−７／００

Ｈ０１Ｌ２７／１８

３９／００

３９／０６−３９／１２

３９／１８

３９／２２−３９／２４

Ｈ０３Ｋ３／３７−３／５９

１９／０９８−１９／２３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

和周波数生成器のための回路であって、
ジョセフソン・リング変調器（ＪＲＭ）に接続された第１の共振器であって、第１の周波数にある第１の光子を受信するように構成される、前記第１の共振器と、
前記ＪＲＭに接続された第２の共振器であって、第１の高調波を有し、かつ第２の高調波を有さないように構成される、第２の周波数にある第２の光子を受信するように構成される、前記第２の共振器と、を備え、前記第１の共振器が、上方変換光子を出力するように構成され、前記上方変換光子が、前記第１の周波数および前記第２の周波数の和である上方変換周波数を有する、和周波数生成器のための回路。

【請求項2】

基本共振周波数が、前記第１の共振器および前記第２の共振器についてほぼ同じである、請求項１に記載の回路。

【請求項3】

前記第１の光子の前記第１の周波数および前記第２の光子の前記第２の周波数が、ほぼ同じである、請求項２に記載の回路。

【請求項4】

前記第２の共振器の基本共振周波数が、前記第１の共振器よりも高い、請求項１に記載の回路。

【請求項5】

前記第２の光子の前記第２の周波数が、前記第１の光子の前記第１の周波数よりも高い、請求項４に記載の回路。

【請求項6】

前記第１の共振器が、前記上方変換周波数にある前記上方変換光子を出力するように構成された第２の高調波を有し、
前記上方変換光子が、前記第１の光子および前記第２の光子からのエネルギーの和である、請求項１に記載の回路。

【請求項7】

前記第１の共振器が、半波長伝送線共振器である、請求項１に記載の回路。

【請求項8】

前記第２の共振器が、集中素子共振器である、請求項７に記載の回路。

【請求項9】

前記第１の共振器が、マイクロストリップから形成される、請求項１に記載の回路。

【請求項10】

前記第２の共振器が、コンデンサから形成され、前記コンデンサは各々が、誘電体基板または媒質によって分離される、前記ＪＲＭに接続された上板および一緒に接続された下板を有する、請求項１に記載の回路。

【請求項11】

和周波数生成器のための回路を形成する方法であって、
ジョセフソン・リング変調器（ＪＲＭ）に接続された第１の共振器を提供することであって、前記第１の共振器が、第１の周波数にある第１の光子を受信するように構成される、前記提供することと、
前記ＪＲＭに接続された第２の共振器を提供することであって、前記第２の共振器が、第１の高調波を有し、かつ第２の高調波を有さないように構成され、前記第２の共振器が、第２の周波数にある第２の光子を受信するように構成され、前記第１の共振器が、上方変換光子を出力するように構成され、前記上方変換光子が、前記第１の周波数および前記第２の周波数の和である上方変換周波数を有する、前記提供することと
を含む、和周波数生成器のための回路を形成する方法。

【請求項12】

第１のキュービットおよび第２のキュービットの遠隔エンタングルメントのための方法であって、
第１の量子システムおよび第２の量子システムに別個に接続された和周波数生成器回路を提供することであって、前記第１の量子システムが前記第１のキュービットを含み、前記第２の量子システムが前記第２のキュービットを含む、前記提供することと、
前記第１のキュービットおよび前記第２のキュービットを遠隔でエンタングルすることであって、
前記第１の量子システムに、第１の周波数にある第１の出力読み出し信号を前記和周波数生成器へ伝送させること、および前記第２の量子システムに、第２の周波数にある第２の出力読み出し信号を前記和周波数生成器回路へ伝送させること、ならびに
前記和周波数生成器によって、前記第１の周波数および前記第２の周波数の和である上方変換周波数を有する上方変換出力読み出し信号を出力し、それにより、前記第１のキュービットおよび前記第２のキュービットを遠隔でエンタングルすることを含む、前記遠隔でエンタングルすることと
を含む、第１のキュービットおよび第２のキュービットの遠隔エンタングルメントのための方法。

【請求項13】

前記第１の出力読み出し信号が、前記第１のキュービットの状態情報を含み、前記第２の出力読み出し信号が、前記第２のキュービットの状態情報を含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記上方変換出力読み出し信号が、前記第１のキュービットおよび前記第２のキュービットの前記状態情報の累積である、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

マイクロ波中継装置を構成するための方法であって、
第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器までを提供することと、
第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスまでを提供することと、を含み、
前記第１の和周波数生成器から前記最後の和周波数生成器までの１つ１つが、前記第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから前記最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスのうちの２つによって共有されるように、前記第１の和周波数生成器から前記最後の和周波数生成器までの各々が、前記第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから前記最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスのうちの２つに接続され、
前記第１の和周波数生成器から前記最後の和周波数生成器の合計が、前記第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから前記最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスまでの合計より１つ少ない、マイクロ波中継装置を構成するための方法。

【請求項16】

前記第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスによって生成される第１の光子が、前記第１の和周波数生成器から前記最後の和周波数生成器までのいずれによっても受信されず、
前記最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスによって生成される最後の光子が、前記第１の和周波数生成器から前記最後の和周波数生成器までのいずれによっても受信されず、
前記第１の和周波数生成器から前記最後の和周波数生成器までが、前記第１の光子および前記第２の光子の遠隔エンタングルメントを引き起こすように構成され、
前記第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから第３の自発的パラメトリック下方変換デバイスが、非縮退性の三波混合増幅器である、請求項１５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超伝導電子デバイスに関し、より具体的には、量子通信応用のためのマイクロ波領域内の和周波数生成器(sum frequency generator)に関する。

【背景技術】

【0002】

量子エンタングルメントとは、粒子の対または群が、粒子がかなりの距離を分離されているときさえも、各粒子の量子状態を他と独立して説明することができないような方式で発生または相互作用するときに起こる物理現象である。むしろ、量子状態は、システムについて全体として説明されなければならない。別の言い方をするならば、エンタングルされたシステムは、その量子状態を、その局所的な構成成分の状態の積として因数分解することができないものであると定義される。言い換えると、それらは、個々の粒子ではなく、分けることのできないまとまりである。エンタングルメントにおいて、１つの構成成分を、他を考慮せずに完全に説明することはできない。複合システムの状態は、局所的な構成成分の状態の積の和または累積として常に表現可能であるということに留意されたい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明は、量子通信応用のためのマイクロ波領域内の和周波数生成器に関する発明を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0004】

１つまたは複数の実施形態によると、和周波数生成器のための回路が提供される。本回路は、ジョセフソン・リング変調器（ＪＲＭ）に接続された第１の共振器を含み、第１の共振器は、第１の周波数にある第１の光子を受信するように構成される。本回路は、ＪＲＭに接続された第２の共振器を含み、第２の共振器は、第１の高調波を有し、かつ第２の高調波を有さないように構成される。第２の共振器は、第２の周波数にある第２の光子を受信するように構成され、第１の共振器は、上方変換光子(up-converted photon)を出力するように構成される。上方変換光子は、第１の周波数および第２の周波数の和である上方変換周波数を有する。

【0005】

１つまたは複数の実施形態によると、和周波数生成器のための回路を形成する方法が提供される。本方法は、ジョセフソン・リング変調器（ＪＲＭ）に接続された第１の共振器を提供することを含み、第１の共振器は、第１の周波数にある第１の光子を受信するように構成される。本方法は、ＪＲＭに接続された第２の共振器を提供することを含み、第２の共振器は、第１の高調波を有し、かつ第２の高調波を有さないように構成される。第２の共振器は、第２の周波数にある第２の光子を受信するように構成され、第１の共振器は、上方変換光子を出力するように構成される。上方変換光子は、第１の周波数および第２の周波数の和である上方変換周波数を有する。

【0006】

１つまたは複数の実施形態によると、第１のキュービットおよび第２のキュービットの遠隔エンタングルメントのための方法が提供される。本方法は、第１の量子システムおよび第２の量子システムに別個に接続された和周波数生成器回路を提供することを含む。第１の量子システムは、第１のキュービットを含み、第２の量子システムは、第２のキュービットを含む。本方法は、第１のキュービットおよび第２のキュービットを遠隔でエンタングル(remote entanglement)することを含む。遠隔エンタングルメントは、第１の量子システムに、第１の周波数にある第１の出力読み出し信号を和周波数生成器へ伝送させること、および第２の量子システムに、第２の周波数にある第２の出力読み出し信号を和周波数生成器回路へ伝送させることを含む。また、遠隔エンタングルメントは、和周波数生成器によって、第１の周波数および第２の周波数の和である上方変換周波数を有する上方変換出力読み出し信号を出力し、それにより、第１のキュービットおよび第２のキュービットを遠隔でエンタングルすることを含む。

【0007】

１つまたは複数の実施形態によると、マイクロ波中継装置を構成するための方法が提供される。本方法は、第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器までを提供すること、および第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスまでを提供することを含む。第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器までの１つ１つが、第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスのうちの２つによって共有されるように、第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器までの各々は、第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスのうちの２つに接続される。第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器の合計は、第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスまでの合計より１つ少ない。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】１つまたは複数の実施形態に従う、量子通信における和周波数生成器（ＳＦＧ）の応用の概念図である。

【図2】１つまたは複数の実施形態に従う、ＳＦＧ回路の概略図である。

【図3】１つまたは複数の実施形態に従う、例示的な周波数スペクトルを描写する図である。

【図4】１つまたは複数の実施形態に従う、例示的な周波数スペクトルを描写する図である。

【図5】１つまたは複数の実施形態に従う、ＳＦＧ回路の例示的な実装形態を描写する図である。

【図6】１つまたは複数の実施形態に従う、距離の離れたキュービット同士の遠隔エンタングルメントのためにＳＦＧ回路を利用する応用のシステムを描写する図である。

【図7】１つまたは複数の実施形態に従う、量子マイクロ波中継装置としての応用のためにＳＦＧ回路を利用するシステムを描写する図である。

【図8】１つまたは複数の実施形態に従う、ＳＦＧのための回路を形成する方法のフローチャートである。

【図9】１つまたは複数の実施形態に従う、第１のキュービットおよび第２のキュービットの遠隔エンタングルメントのための方法のフローチャートである。

【図10】１つまたは複数の実施形態に従う、マイクロ波中継装置を構成するための方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

様々な実施形態は、関連した図面を参照して本明細書内に説明される。代替的な実施形態が、本発明の範囲から逸脱することなく考案され得る。素子同士の様々な接続および位置関係（例えば、上、下、隣接してなど）が、以下の説明および図面において明記されることに留意されたい。これらの接続または位置関係あるいはその両方は、別途記載のない限り、直接的または間接的であり得、この点で制限することは意図されない。したがって、エンティティの結合は、直接的または間接的な結合を指すことができ、エンティティ間の位置関係は、直接的または間接的な位置関係であり得る。間接的な位置関係の例として、層「Ａ」を層「Ｂ」の上に形成することへの言及は、層「Ａ」および層「Ｂ」の重要な特徴および機能性が中間層によって著しく変更されない限りは、１つまたは複数の中間層（例えば、層「Ｃ」）が層「Ａ」と層「Ｂ」の間にある状況を含む。

【0010】

光子は、素粒子であり、これは、電磁放射のすべての他の形態と共に光の量子である。光子は、放射周波数に比例してエネルギーを運び、ゼロ静止質量を有する。

【0011】

ベル状態は、量子情報科学における概念であり、エンタングルメントの本質を表す。それらは、ベル不等式の対象となる。ＥＰＲ対は、共にベル状態にある、言い換えると、互いとエンタングルされる、一対のキュービット（量子ビット）、粒子、または光子である。電磁場および重力場などの旧知の現象とは異なり、エンタングルメントは、分離の距離の下で不変であり、光の速度などの相対論的な制約の対象とならない。ベル測定は、量子情報科学において重要な概念である。２つのキュービットが４つのベル状態のうちのどれにあるかを決定するのは、２つのキュービットのジョイント量子力学的測定(joint quantum-mechanical measurement)である。キュービットが以前にベル状態ではなかった場合、それらは投影されてベル状態にされ（量子測定の投影規則に従って）、また、ベル状態がエンタングルされるため、ベル測定はエンタングル操作である。

【0012】

エンタングルメントの１つの有用な特徴は、それがスワップされ得ることである。例えば、エンタングルされた光子、例えば、Ａ、Ｂ、およびＣ、Ｄの２つの対を前提とし、各対が別個の自発的光子下方変換器（ＳＰＤＣ: spontaneous photon down-converter）によって生成されるとすると、光子ＢおよびＣのジョイント測定をベルに基づいて実施し、その結果をＡおよびＤに通信することによって、光子ＡおよびＤをエンタングルする（それらを互いと相互作用させずに）ことが可能である。この量子操作（すなわち、エンタングルメント・スワッピング）が有用であり得る１つの応用は、量子通信である。特に、それは、量子中継装置の実装を可能にする。しかしながら、エンタングル・スワッピング・スキームにおいて部分的なベル測定を実施するために線形光学素子を使用すること（ベル測定の成功は、エンタングルされた対の作成の予告事象として機能する）は、いくつかの問題を抱えている。例えば、１つの問題は、自発的パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ）源が、本質的に、エンタングルされた光子の多重対を発光し、そのことが、ベル測定の成功の条件となるエンタングルされた状態の忠実性を低減させ、両方の端ＡおよびＤにおいて１つの検出に対応する事象を後選択することなくエンタングルメント・スワッピング・プロトコルを無用にする。さらには、忠実性の低減に加えて、それ自体による後選択動作は、デバイス非依存量子鍵配送（ＤＩＱＫＤ）スキームの要件（安全な量子通信を実施するために必要とされる）と相いれない。別の問題は、ベルの不等式のすべての光学検査が、エンタングルされた光子が、量子チャネルにおける不可避の損失、光子対源と光ファイバーとの結合における損失、および有限検出器効率に起因して、すべては検出されないという検出の抜け穴に悩まされていることである。この抜け穴を塞ぐことは、ＤＩＱＫＤを実証するための要件である。これらの問題および文献において提示されている他の問題に対する１つの実行可能な解決策は、エンタングルメント・スワッピング操作／プロトコルにおいてベル測定を実施するために使用される線形光学素子の代わりに、和周波数生成器（ある意味では非線形フィルタとして機能する）を使用することである。

【0013】

１つまたは複数の実施形態は、マイクロ波領域（例えば、１〜３０ギガヘルツ（ＧＨｚ））内で動作する量子デバイスを提供する。量子デバイスは、チップ上で非線形光学動作、特に、和周波数生成を実施すること、すなわち、周波数ｆ_Ｓ、ｆ_Ｉおよび運動量ｋ_Ｓ、ｋ_Ｉで量子デバイスのポートに入ってくる一対のマイクロ波光子を、エネルギーがエネルギーの和ｆ_ＵＰＣ＝ｆ_Ｉ＋ｆ_Ｓに等しく、かつ運動量が入力光子の運動量の和ｋ_ＵＰＣ＝ｋ_Ｉ＋ｋ_Ｓに等しい出射光子へと上方変換することができる。１つまたは複数の実施形態は、単一光子レベルで動作する、また量子情報処理応用、特に、量子計算および量子通信において様々な役割で利用され得る、マイクロ波領域内の和周波数生成器（回路）を含む。

【0014】

ここで図に移ると、図１は、１つまたは複数の実施形態に従う、量子通信における和周波生成器の応用の概念図である。図１は、未修正のスペクトルを有する２つの独立した光子対源であるＳＰＤＣ１およびＳＰＤＣ２を描写する。ＳＦＧは、各ＳＰＤＣ１および２に接続される。単一マイクロ波光子検出器１１、１２、および１３は、ＳＰＤＣ１、ＳＰＤＣ２、およびＳＦＧにそれぞれ接続される。

【0015】

動作中、別個のポンプ信号がＳＰＤＣ１および２に入力される。この例では、ポンプ信号１（周波数ω_Ｐ１＝ω_２＋ω_４にある）が、ＳＰＤＣ１に入力され、ポンプ信号２（周波数ω_Ｐ２＝ω_１＋ω_３にある）が、ＳＰＤＣ２に入力される。ＳＰＤＣ１は、例えばフォック状態に従って、一対のエンタングルされた光子を作成するように構成される。同様に、ＳＰＤＣ２は、一対のエンタングルされた光子を作成するように構成される。

【0016】

ＳＰＤＣ１によって生成されるエンタングルされた光子対は、光子検出器１１に伝送される光子｜１>ω_４およびＳＦＧに伝送される光子｜１>ω_２に指定される。ＳＰＤＣ２によって生成されるエンタングルされた光子対は、光子検出器１２に伝送される光子｜１>ω_３およびＳＦＧに伝送される光子｜１>ω_１に指定される。

【0017】

ＳＦＧは、光子｜１>ω_１および光子｜１>ω_２を受信し、この２つの光子（｜１>ω_１および｜１>ω_２）を変換光子｜１>ω_１＋ω_２へと上方変換するように構成される。変換光子｜１>ω_１＋ω_２は、上方変換光子と称され得る。ＳＰＤＣ１によって生成された光子の周波数は、ω_２およびω_４であり、ＳＰＤＣ２によって生成された光子の周波数は、ω_１およびω_３であることに留意されたい。したがって、変換光子｜１>ω_１＋ω_２は、ω_１＋ω_２の和周波数である。単一マイクロ波光子検出器を用いて、変換（すなわち、上方変換）光子｜１>ω_１＋ω_２を測定することによって、変換光子が、距離の離れた他の２つの光子状態のエンタングルメントを予告する。言い換えると、変換（すなわち、上方変換）光子｜１>ω_１＋ω_２を測定することが、互いから離れている光子｜１>ω_３および｜１>ω_４のエンタングルメントを確実に保証する。さらに、このスキームは、３つの光子がエンタングルされている光子三重項状態を結果としてもたらす。３つのエンタングルされた光子の光子三重項状態は、変換光子｜１>ω_１＋ω_２、光子｜１>ω_３、および光子｜１>ω_４のエンタングルメントである。

【0018】

図２は、１つまたは複数の実施形態に従う、ＳＦＧ回路１００の概略図である。ＳＦＧ回路１００は、マイクロ波デバイスまたは量子デバイスである。ＳＦＧ回路１００は、ポート１５０Ａおよびポート１５０Ｂを含む。ポート１５０Ａは、ブロードバンド１８０度ハイブリッド結合器１２０Ａに接続され得、ポート１５０Ｂは、ブロードバンド１８０度ハイブリッド結合器１２０Ｂに接続され得る。１８０度ハイブリッド結合器１２０Ａおよび１２０Ｂは各々、差（Δ）ポートおよび和（Σ）ポートを有する。１８０度ハイブリッド結合器１２０Ａでは、信号（Ｓ）が、Δポートに接続され、上方変換（ＵＰＣ）信号が、Σポートに接続される。１８０度ハイブリッド結合器１２０Ｂでは、アイドラ（Ｉ）が、Δポートに接続され、終端インピーダンス点（例えば、５０オーム（Ω）終端環境）が、Σポートに接続される。

【0019】

１８０°ハイブリッド結合器は、相反、一致、および理想的には無損失の４ポートマイクロ波デバイスである。１８０°ハイブリッドは、入力信号を２つの等しい増幅出力に分割する。その和ポート（Σ）から供給されるとき、１８０°ハイブリッドは、２つの等しい増幅同相出力信号を提供する。その差ポート（Δ）から供給されるとき、それは、２つの等しい増幅１８０°異相出力信号を提供する。

【0020】

ＳＦＧ回路１００は、ジョセフソン接合リング変調器（ＪＲＭ）１１０を含む。ＪＲＭ１１０は、ホイートストン・ブリッジに類似するループ／リングをＪＲＭ１１０内に形成するように一緒に接続される複数のジョセフソン接合（ＪＪ）１３０を含む。１つの実装形態において、ＪＲＭ１１０はまた、各ＪＪ１３１の一方の端がＪＲＭ１１０のループのノードに接続すると同時に、各ＪＪ１３１の他方の端が他のＪＪ１３１に接続するように、ループの内側にＪＪ１３１を含み得る。当業者によって理解されるように、印加された磁束ΦがＭＪＲＭ１１０のループを通り抜け、磁場が、磁気コイルなどの磁気源１８０によって生成され得る。この例では、ＪＲＭの低減された内側ループの１つ１つを通り抜ける磁束Φは、Φ_ｅｘｔ／４である。

【0021】

信号共振器１６２は、２つの四分の一波長伝送線１２Ａおよび１２Ｂを含む。一方の四分の一波長伝送線１２Ａは、ノードＡに接続され、もう一方の四分の一波長伝送線１２Ｂは、ＪＲＭ１１０のノードＢに接続される。これら２つの四分の一波長伝送線およびＪＲＭ１１０が、波長がλ_Ｓである基本モードのための半波長（λ_Ｓ／２）伝送線マイクロ波共振器を形成し、それは入力マイクロ波信号１５２の波長に一致する。信号共振器１６２の四分の一波長伝送線１２Ａおよび１２Ｂは、ＪＲＭ１１０の両端に接続する。

【0022】

アイドラ共振器１６１は、２つの集中素子コンデンサ１１Ａおよび１１Ｂを含み、これら各々が値２Ｃ_Ｂを有し、Ｃは、キャパシタンスを表す。一方の集中素子コンデンサ１１Ａは、ノードＣに結合され、もう一方の集中素子コンデンサ１１Ｂは、ＪＲＭ１１０のノードＤに結合される。アイドラ共振器１６１の集中素子コンデンサ１１Ａおよび１１Ｂは、ＪＲＭ１１０の両端に接続する。

【0023】

アイドラ共振器１６１および信号共振器１６２は共に、ＪＲＭ１１０を共有または利用する。１つの実装形態において、アイドラ共振器１６１および信号共振器１６２は共に、図３の周波数スペクトルに描写されるものと同じ共振周波数を有する。別の実装形態において、アイドラ共振器１６１および信号共振器１６２は、異なる共振周波数を有し、それは、アイドラ共振器１６１が、図４における周波数スペクトルに描写されるように信号共振器１６２よりも高い共振周波数を有するということである。

【0024】

マイクロ波部品／素子は、その寸法が最小動作周波数の波長と比較して非常に小さい（例えば、デバイスの最小動作周波数に対応する波長の１０分の１より小さい）場合には集中（分散に対して）と説明される。例えば、ジョセフソン接合は、かなり正確な概算で、範囲１〜２０ＧＨｚ内のマイクロ波信号のための集中非線形インダクタと考えられる。

【0025】

ＳＦＧ回路１００は、ポート１５０Ａを信号共振器１６２に接続する結合コンデンサ２０Ａおよび２０Ｂを含む。また、ＳＦＧ回路１００は、ポート１５０Ｂをアイドラ共振器１６１に接続する結合コンデンサ２０Ｃおよび２０Ｄを含む。結合コンデンサ対２０Ａ、２０Ｂ（ならびに対２０Ｃおよび２０Ｄ）は各々が同じ値を有し、この値は、結合コンデンサ２０Ａ、２０ＢではＣｃ_Ａ、および結合コンデンサ２０Ｃ、２０ＤではＣｃ_Ｂと指定される。結合コンデンサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、および２０Ｄの値は、アイドラ共振器１６１および信号共振器１６２について望ましい帯域幅を設定するように（当業者によって理解されるように、デバイス安定性を犠牲にすることなく）主に決定される。

【0026】

アイドラ・マイクロ波信号／トーン１５１は、周波数ｆ_Ｉであり、信号マイクロ波信号／トーン１５２は周波数ｆ_Ｓである。上方変換マイクロ波信号／トーン１５３は、周波数ｆ_ＵＰＣである。アイドラ・マイクロ波信号１５１（アイドラ光子）および信号マイクロ波信号１５２（信号光子）が、ＳＦＧ回路１００に入力され、上方変換されて、上方変換マイクロ波信号１５３（上方変換信号）を生成する。

【0027】

ＳＦＧ回路１００の特徴が以下に論じられる。信号共振器１６２は、共振器ａとも称され得、信号共振器１６２は共振周波数ｆ_ａを有する。アイドラ共振器１６１は、共振器ｂとも称され得、アイドラ共振器１６１は共振周波数ｆ_ｂを有する。信号共振器１６２およびアイドラ共振器１６１は、それらの共振周波数（ｆ_ａおよびｆ_ｂ）を等しく、またはｆ_ａ〜ｆ_ｂなどほぼ等しくするように設計される。アイドラ共振器１６１は、集中素子共振器であり、第２の高調波を有さない。信号共振器１６２は、集中素子共振器ではなく、共振周波数ｆ_ｃにある第２の高調波を有する。共振周波数ｆ_ｃにある共振器の第２の高調波は、関係ｆ_ｃ＝２ｆ_ａを満足する。共振周波数ｆ_ｃにある共振器の第２の高調波は、簡略化のために共振器ｃの共振周波数と指定される。

【0028】

周波数ｆ_Ｓ（信号マイクロ波信号１５２）および周波数ｆ_Ｉ（アイドラ・マイクロ波信号１５１）は、ＳＦＧ１００のデバイス帯域幅内にあり、それらが等しい、またはｆ_Ｓ〜ｆ_Ｉなどほぼ等しいという特徴を有する。例として、周波数はｆ_Ｓ＝ｆ_Ｉ＝７ＧＨｚであり得る。上方変換信号１５３（すなわち、上方変換光子）の周波数ｆ_ＵＰＣは、出力される上方変換周波数ｆ_ＵＰＣが関係ｆ_ＵＰＣ＝ｆ_Ｓ＋ｆ_Ｉを満足するように、周波数ｆ_Ｓおよびｆ_Ｉの和である（例えば、１４ＧＨｚ）。上方変換光子の和周波数ｆ_ＵＰＣは、２ｆ_ａ共振モードの帯域幅内に入る。

【0029】

信号共振器１６２（共振器ａ）は、γ_ａと指定される帯域幅を有し、アイドラ共振器１６１（共振器ｂ）は、γ_ｂと指定される帯域幅を有する。信号共振器１６２の第２の高調波は、γ_ｃと指定される帯域幅を有する。言い換えると、共振器ｃは、γ_ｃと指定される帯域幅を有する。帯域幅は、関係γ_ａ〜γ_ｂ＜γ_ｃを満足する。

【0030】

また、帯域幅は関係γ_ａ，γ_ｂ＜ｇ_３，γ_２ｐｈ＜γ_ｃを満足し、式中、ｇ_３は、３つのモードａ、ｂ、およびｃ間の結合定数であり、一対の信号およびアイドラ光子がＳＦＧ回路１００内で上方変換される比率を特徴付け、γ_２ｐｈは、信号およびアイドラ光子が（信号およびアイドラ・マイクロ波信号１５２および１５１を介して）それらのそれぞれのポート１５０Ａおよび１５０Ｂを出ていく比率（すなわち、反射において出力される）であり、

【0031】

【数1】

である。ＳＦＧ回路１００において、帯域幅γ_ｃは、上方変換光子（すなわち、上方変換信号１５３内の上方変換光子）が後にＳＦＧ回路１００を出ていくように、帯域幅γ_ａおよび帯域幅γ_ｂより大きくなければならず、より大きい帯域幅γ_ｃを有することにより、上方変換光子が下方変換される機会を有することを防ぐ。ＳＦＧ内で起こる３波混合プロセス（非線形混合）が、信号光子およびアイドラ光子から上方変換光子を生成するということに留意されたい。

【0032】

コンデンサ１１Ａ〜Ｂおよび２０Ａ〜Ｄ（コンデンサ内の誘電材料を除く）、伝送線３０、ジョセフソン接合１３０、１３１（薄い絶縁材料を除く）、ならびにポート１５０Ａおよび１５０Ｂを含むＳＦＧ１００は、超伝導材料製である。加えて、ハイブリッド結合器１２０Ａおよび１２０Ｂは、低損失常伝導金属製であるか、超伝導材料製であり得る。（約１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）、または約４Ｋなど、低温度での）超伝導材料の例としては、ニオブ、アルミニウム、タンタルなどが挙げられる。

【0033】

図３は、１つまたは複数の実施形態に従う、例示的な周波数スペクトル３００を描写する。この例では、信号共振器１６２（すなわち、共振器ａ）の共振周波数ｆ_ａおよびアイドラ共振器１６１（共振器ｂ）の共振周波数ｆ_ｂは、曲線３０５によって示されるように互いと一致する（すなわち、等しいか、またはほぼ等しい）。周波数スペクトル３００において、信号共振器１６２およびアイドラ共振器１６１の帯域幅（γ_ａ〜γ_ｂ）は、等しいか、またはほぼ等しい。

【0034】

信号光子（信号マイクロ波信号１５２と同義で利用され得る）は、周波数ｆ_Ｓで入力され、周波数ｆ_Ｓは、信号共振器１６２（共振器ａ）の帯域幅γ_ａ内にある。アイドラ光子（アイドラ・マイクロ波信号１５１と同義に利用され得る）は、周波数ｆ_Ｉで入力され、周波数ｆ_Ｉは、アイドラ共振器１６１（共振器ｂ）の帯域幅γ_ｂ内にある。１つの実装形態において、周波数ｆ_Ｓは、共振周波数ｆ_ａにほぼ等しくてもよく、周波数ｆ_Ｉは、共振周波数ｆ_ｂにほぼ等しくてもよい。

【0035】

信号共振器１６２が第２の高調波共振モード（共振器ｃの共振モードと指定される）を有することから、およびＪＲＭ１１０内の相互作用が理由で、信号およびアイドラ光子が組み合わさり、エネルギーが信号およびアイドラ光子のエネルギーの和である光子（上方変換信号１５３の上方変換光子と指定される）に上方変換される。上方変換光子は、周波数ｆ_ＵＰＣ＝ｆ_ｃ＝２・ｆ_ａを有する。言い換えると、周波数ｆ_ＵＰＣは、信号共振器１６２（共振器ａ）の第２の高調波であり、それは、信号共振器１６２の信号共振周波数ｆ_ａの約２倍である。第２の高調波（すなわち、共振器ｃ）の帯域幅γ_ｃは、信号共振器１６２（共振器ａ）の帯域幅γ_ａの約８倍であり、その結果γ_ｃ〜８・γ_ａである。別の実装形態において、帯域幅γ_ｃは、帯域幅γ_ａよりも約７、８、９、および１０倍高くてもよい。図３内の周波数スペクトルは、関係γ_ａ，γ_ｂ＜ｇ_３，γ_２ｐｈ＜γ_ｃを満足する。

【0036】

図４は、１つまたは複数の実施形態に従う、例示的な周波数スペクトル４００を描写する。この例では、信号共振器１６２（すなわち、共振器ａ）の共振周波数ｆ_ａおよびアイドラ共振器１６１（共振器ｂ）の共振周波数ｆ_ｂは、曲線４０５および４１０によって示されるように互いと一致しない。周波数スペクトル４００において、信号共振器１６２およびアイドラ共振器１６１の帯域幅（γ_ａ〜γ_ｂ）は、別個であり、互いと一致しない。

【0037】

（信号マイクロ波信号１５２の）信号光子は、周波数ｆ_Ｓで入力され、周波数ｆ_Ｓは、信号共振器１６２（共振器ａ）の帯域幅γ_ａ内にある。（アイドラ・マイクロ波信号１５１の）アイドラ光子は、周波数ｆ_Ｉで入力され、周波数ｆ_Ｉは、アイドラ共振器１６１（共振器ｂ）の帯域幅γ_ｂ内にある。

【0038】

信号共振器１６２が第２の高調波共振モード（共振器ｃの共振モードと指定される）を有することから、およびＪＲＭ１１０内の相互作用が理由で、信号およびアイドラ・プロトンが組み合わさり、エネルギーが信号およびアイドラ光子のエネルギーの和である光子（上方変換信号１５３の上方変換光子と指定される）に上方変換される。図３とは異なり、図４内の周波数スペクトル４００は、上方変換光子が周波数ｆ_ＵＰＣ＝ｆ_ｃ＝ｆ_ａ＋ｆ_ｂを有することを示す。ｆ_ｃは、均一な伝送線共振器のために２ｆ_ａでなければならないが、インダクタ（すなわち、ＪＪ１３０）は、信号共振器１６２の第２の高調波共振モード周波数をスキュー(skew)することができる。そのような場合、共振周波数ｆ_ａおよびｆ_ｂが共振器ａおよびｂについて異なり、それらの和がｆ_ｃであるという実施形態は、改変され得る。信号共振器１６２（共振器ａ）は、例えば、特定の基本共振周波数ｆ_ａおよび第２の高調波共振周波数ｆ_ｃを得るために共振器１６２（およびＪＲＭ１１０の誘電性装荷）を形成する既定の長さの伝送線に従って設定される。続いて、アイドラ共振器１６１の共振周波数ｆ_ｂの値は、それが共振周波数ｆ_ｃとｆ_ａとの差に等しいように指定され得る。

【0039】

アイドラ共振器１６１は、条件ｆ_ｃ＝ｆ_ａ＋ｆ_ｂに達するために、その共振周波数ｆ_ｂが信号共振器１６２の共振周波数ｆ_ａよりもわずかに高くなるように構造化される。例えば、共振周波数ｆ_ａは、７ＧＨｚであり得、第２の高調波ｆ_ｃの共振周波数は、１５ＧＨｚであり得る。このシナリオでは、第２の高調波の共振周波数ｆ_ｃは、２・ｆ_ａよりも高く、この場合、ｆ_ｂ＝８ＧＨｚは、周波数スペクトル４００において描写されるようにｆ_ａよりも高くなるように改変される。

【0040】

図３に論じられるように、第２の高調波（すなわち、共振器ｃ）の帯域幅γ_ｃは、信号共振器１６２（共振器ａ）の帯域幅γ_ａの約８倍であり、その結果γ_ｃ〜８・γ_ａである。別の実装形態において、帯域幅γ_ｃは、帯域幅γ_ａよりも約７、８、９、および１０倍大きくてもよい。図４内の周波数スペクトルは、関係γ_ａ，γ_ｂ＜ｇ_３，γ_２ｐｈ＜γ_ｃを満足する。

【0041】

説明の目的のため、実現可能な実験的パラメータを有する設計例が、ＳＦＧ回路１００について提供される。パラメータは、Ｉ_０＝２・１０^−７アンペア（Ａ）を含み、式中、Ｉ_０は、ＪＲＭ１１０の外側ＪＪ１３０（通常、同一である）の臨界電流であり、Ｌ_Ｊ０＝１．６ナノヘンリー（ｎＨ）であり、式中、Ｌ_Ｊ０は、ＪＲＭ内のゼロ印加磁束の場合の外側ＪＪ１３０のインダクタンスであり、Ｌ_Ｊ＝２．３ｎＨであり、式中、Ｌ_Ｊは、印加磁束Φ_ｅｘｔ〜Φ_０／２に対応するデバイスの特定の作用点についての各ＪＪ１３０のインダクタンスであり、Φ_０は、磁束量子である。内側ＪＪ１３１は、当業者によって認識されるように、デバイスに周波数同調性を追加するために含まれる。一般に、これらのＪＪ１３１の臨界電流は、外側ＪＪ１３０のＩ_０より約２．５倍大きくなるように設計される。追加のパラメータは、γ_ａ，ｂ／２π＝２０メガヘルツ（ＭＨｚ）、γ_ｃ／２π＝１６０ＭＨｚ、ｆ_ａ＝６ＧＨｚ、ｆ_ｂ＝７．３ＧＨｚ、ｆ_ｃ＝１３．３ＧＨｚ、Ｃ_Ｂ＝１７１フェムトファラド（ｆＦ）、ｇ_３／２π＝６５ＭＨｚ、およびκ_２ｐｈ／２π＝１０５ＭＨｚを含む。これらのパラメータは、不等式要件γ_ａ，γ_ｂ＜ｇ_３，γ_２ｐｈ＜γ_ｃを満足する。

【0042】

図５は、１つまたは複数の実施形態に従う、ＳＦＧ回路１００の例示的な実装形態である。図５では、信号共振器１６２の半波長伝送線共振器（すなわち、ＪＲＭ１１０と一緒に１２Ａおよび１２Ｂ）は、マイクロストリップ、ストリップライン、共平面導波路などとして実装される。

【0043】

アイドラ共振器１６１の集中素子コンデンサ１１Ａおよび１１Ｂは、共通の下板を有するか、または図示されない下板への共通の接続を有するコンデンサであり、この共通の下板は、別の階層にある（すなわち、１１Ａおよび１１Ｂの上板と共平面ではない）。例えば、誘電材料が、集中素子コンデンサ１１Ａおよび１１Ｂの各上板の下にあり、集中素子コンデンサ１１Ａおよび１１Ｂは、グラウンドに接続された共通の下板を共有する。集中素子コンデンサ１１Ａおよび１１Ｂは、ＪＲＭ１１０に接続される。

【0044】

信号共振器１６２の半波長伝送線共振器（すなわち、１２Ａ、１２Ｂ、およびＪＲＭ１１０）は、図５ではギャップ・コンデンサの形態（陽極キャパシタンスおよび交互嵌合キャパシタンスなどの他の形態のキャパシタンスが可能である）で示される結合コンデンサ２０Ａおよび２０Ｂを介して信号および上方変換信号供給線に結合される。同様に、アイドラ共振器１６１の集中素子コンデンサ１１Ａおよび１１Ｂは、結合コンデンサ２０Ｃおよび２０Ｄを介してアイドラ供給線に結合される。信号／上方変換信号およびアイドラ供給線は、それぞれの１８０ハイブリッド結合器１２０Ａおよび１２０Ｂに接続するそれぞれのポート１５０Ａおよび１５０Ｂとしての役割を果たす。信号／上方変換信号およびアイドラ供給線は、伝送線であってもよい。

【0045】

図６は、１つまたは複数の実施形態に従う、距離の離れたキュービット６１１と６１２との間の遠隔エンタングルメントのためにＳＦＧ回路１００を利用する応用のシステム６００を描写する。システム６００は、キュービット−空洞システム６０１およびキュービット−空洞システム(qubit-cavity system)６０２に結合されたＳＦＧ回路１００を含む。キュービット−空洞システム６０１は、キュービット６１１に結合された空洞を含む。キュービット−空洞システム６０２は、キュービット６１２に結合された空洞を含む。キュービット−空洞システム６０１および６０２は、互いから距離Ｌだけ離れている。１つの実装形態において、距離Ｌは、３ｃｍなど、同じチップ上にあり得る。別の実装形態において、距離Ｌは、別個のチップ上で１ｍ（メートル）であり得る。

【0046】

システム６００の例示的な動作がこれより論じられる。周波数ω_ｒ＋ωにある入力読み出し信号６０５が、キュービット−空洞システム６０１に入力される。キュービット−空洞システム６０１は、周波数ω_ｒ＋ωにある出力読み出し信号６０５’を出力し、ＳＦＧ回路１００が、周波数ω_ｒ＋ωにある出力読み出し信号６０５’（すなわち、信号マイクロ波信号１５２）を受信する。周波数ω_ｒ＋ωにある出力読み出し信号６０５’は、ＳＦＧ回路１００のポート１５０Ａのハイブリッド結合器１２０ＡのΔ入力に入力され得る。出力読み出し信号６０５’は、キュービット６１１の状態情報を含む。当業者は、キュービット−空洞システム６０１が、空洞または読み出し共振器が入力読み出し信号６０５に応答して出力読み出し信号６０５’を伝送するように、キュービット６１１に結合された空洞または読み出し共振器を含むことを理解する。

【0047】

周波数ω_ｒ−ωにある入力読み出し信号６１０が、キュービット−空洞システム６０２に入力される。キュービット−空洞システム６０２は、周波数ω_ｒ−ωにある出力読み出し信号６１０’を出力し、ＳＦＧ回路１００が、周波数ω_ｒ−ωにある出力読み出し信号６１０’（すなわち、アイドラ・マイクロ波信号１５１）を受信する。周波数ω_ｒ−ωにある出力読み出し信号６１０’は、ＳＦＧ回路１００のポート１５０Ｂのハイブリッド結合器１２０ＢのΔ入力に入力され得る。出力読み出し信号６１０’は、キュービット６１２の状態情報を含む。当業者は、キュービット−空洞システム６０２が、空洞または読み出し共振器が入力読み出し信号６１０に応答して出力読み出し信号６１０’を伝送するように、キュービット６１２に結合された空洞または読み出し共振器を含むことを理解する。

【0048】

出力読み出し信号６０５’は、出力読み出し光子６０５’と互換的であり、出力読み出し信号６１０’は、出力読み出し光子６１０’と互換的である。出力読み出し光子６０５’は、例えば、キュービットの通電状態｜ｅ_１>および接地状態｜ｇ_１>の累積を示すことができ、それにより、キュービット６１１のキュービット状態情報を含む。出力読み出し光子６１０’は、例えば、キュービットの通電状態｜ｅ_２>および接地状態｜ｇ_２>の累積を示すことができ、それにより、キュービット６１２のキュービット状態情報を含む。

【0049】

周波数ω_ｒ＋ωにある出力読み出し光子６０５’および周波数ω_ｒ−ωにある出力読み出し光子６１０’を受信することに応答して、ＳＦＧ回路１００は、光子６０５’および６１０’を上方変換するように構成され、周波数２・ω_ｒにある変換（上方変換）光子(converted photon)６１５（出力読み出し信号）を結果としてもたらす。上方変換光子６１５周波数は、周波数の和（ω_ｒ＋ω）＋（ω_ｒ−ω）であり、２ω_ｒを結果としてもたらす。

【0050】

変換光子６１０（出力読み出し信号）は、以下の状態｜ｅ_１ｅ_２>、｜ｅ_１ｇ_２>，｜ｇ_１ｇ_２>，｜ｇ_１ｅ_２>の累積である。変換光子６１５（または変換光子６１５の測定値）は、互いから距離の離れた、遠隔エンタングルメント距離の離れたキュービット６１１および６１２を予告する。変換光子６１０（すなわち、上方変換光子１５３）は、ＳＦＧ回路１００のポート１５０Ａのハイブリッド結合器１２０ＡのΣ出力を介して出力され得る。

【0051】

図７は、１つまたは複数の実施形態に従う、量子マイクロ波中継装置としての応用のためにＳＦＧ回路１００を利用するシステム７００である。量子マイクロ波中継装置（または量子中継装置）は、長距離安全光量子ネットワークを構築するための不可欠の技術である。２つの遠隔受信器間にエンタングルメントを分配するために、その間の量子中継装置ノードにおけるエンタングルメント・スワッピング操作が必要とされる。したがって、システム７００は、通信システム内の予め定められた場所において量子中継装置ノードとして機能することができる。

【0052】

例示的なシステム７００は、ＳＰＤＣ１、ＳＰＤＣ２、およびＳＰＤＣ３を含む。ＳＰＤＣ１、２、３は、互いから距離Ｌにあり得る。１つの実装形態において、ＳＰＤＣ１、２、３は、ジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ）など、非縮退性パラメトリック増幅器であり得る。各ＳＰＤＣ１、２、３は、説明の目的のためにＳＦＧ１００＿１および１００＿２と指定されたＳＦＧ回路１００に結合される。各ＳＰＤＣ１、２、３は、無相関のスペクトルを有する独立した光子対源である。各ＳＰＤＣ１、２、３は、その独自のポンプ信号（図示されない）を受信し、次いで一対のエンタングルされた光子を生成する。

【0053】

図７００では、ＳＰＤＣ１は、エンタングルされた光子７０１および７０２を生成するように構成される。光子７０１は周波数ω_１であるが、光子７０２は周波数ω_２である。光子７０２は、ＳＰＤＣ１からＳＦＧ１００＿１へ伝送される。

【0054】

ＳＰＤＣ２は、エンタングルされた光子７０３および７０４を生成するように構成される。光子７０３は周波数ω_３であるが、光子７０４は周波数ω_４である。光子７０３は、ＳＰＤＣ２からＳＦＧ１００＿１へ伝送される。光子７０４は、ＳＰＤＣ２からＳＦＧ１００＿２へ伝送される。

【0055】

ＳＰＤＣ３は、エンタングルされた光子７０５および７０６を生成するように構成される。光子７０５は周波数ω_５であるが、光子７０６は周波数ω_６である。光子７０５は、ＳＰＤＣ３からＳＦＧ１００＿２へ伝送される。

【0056】

それぞれ周波数ω_２およびω_３にある光子７０２および７０３を受信することに応答して、ＳＦＧ１００＿１は、周波数ω_２+ω_３にある光子７２３を生成するように構成される。ＳＦＧ１００＿１は、光子７２３を光子マイクロ波検出器１１へ伝送し、光子マイクロ波検出器１１が光子７２３を検出する。ＳＦＧ１００＿１の場合、光子７０２および７０３は、ポート１５０Ａおよび１５０Ｂを介してそれぞれ信号およびアイドラ光子１５２、１５１として受信され得る。

【0057】

それぞれ周波数ω_４およびω_５にある光子７０４および７０５を受信することに応答して、ＳＦＧ１００＿２は、周波数ω_４＋ω_５にある光子７４５を生成するように構成される。ＳＦＧ１００＿２は、光子７４５を光子マイクロ波検出器１２へ伝送し、光子マイクロ波検出器１２が光子７４５を検出する。ＳＦＧ１００＿２の場合、光子７０４および７０５は、ポート１５０Ａおよび１５０Ｂを介してそれぞれ信号およびアイドラ光子１５２、１５１として受信され得る。

【0058】

光子検出器１１による光子７２３（｜１>ω_２＋ω_３）の検出および光子検出器１２による光子７４５（｜１>ω_４＋ω_５）の検出は、光子７０１（｜１>ω_１）および７０６（｜１>ω_６）の遠隔エンタングルメントを予告する。エンタングルされた光子対７０１および７０６は、エンタングルメント・スワッピングに基づいて作成される。

【0059】

図７は、３つのＳＰＤＣおよび２つのＳＦＧのアレイを含む量子中継装置設定の一例を示すが、この設定は、必要に応じて、間に距離Ｌを有するＮ個のＳＰＤＣおよびＮ−１個のＳＦＧ（２つの連続したＳＰＤＣの間に１つのＳＦＧ）に一般化／拡張され得るということに留意されたい。

【0060】

図８は、１つまたは複数の実施形態に従う、和周波数生成器１００のための回路を形成する方法のフローチャート８００である。ブロック８０５において、ジョセフソン・リング変調器（ＪＲＭ）１１０に接続される第１の共振器１６２（例えば、信号共振器）が提供される。第１の共振器１６２は、ｆ_ａでの基礎共振モードの帯域幅内にある第１の周波数ｆ_ｓにある第１の光子１５２（例えば、信号マイクロ波信号）を受信するように構成される。

【0061】

ブロック８１０において、第２の共振器１６１（例えば、アイドラ共振器）はＪＲＭ１１０に接続され、第２の共振器１６１は、第１の高調波を有し、かつ第２の高調波を有さないように構成される。第２の共振器１６１は、ｆ_ｂで基本共振モードの帯域幅内にある第２の周波数ｆ_Ｉにある第２の光子１５１（例えば、アイドラ・マイクロ波信号）を受信するように構成され、第１の共振器１６２は、上方変換光子１５３（例えば、上方変換信号）を出力するように構成される。上方変換光子１５３は、第１の周波数ｆ_Ｓおよび第２の周波数ｆ_Ｉの組み合わせである上方変換周波数ｆ_ＵＰＣを有する。

【0062】

基本共振周波数は、第１の共振器（ｆ_ａ）および第２の共振器（ｆ_ｂ）についてほぼ同じである。第１の光子１５２の第１の周波数（ｆ_Ｓ）および第２の光子１５１の第２の周波数（ｆ_Ｉ）は、ほぼ同じである。図３について言及がなされ得る。

【0063】

第２の共振器（ｆ_ｂ）の基本共振周波数は、第１の共振器（ｆ_ａ）よりも高い。第２の光子１５１の第２の周波数（ｆ_Ｉ）は、第１の光子１５２の第１の周波数（ｆ_Ｓ）よりも高い。図４について言及がなされ得る。

【0064】

第１の共振器１６２は、上方変換周波数（ｆ_ＵＰＣ）にある上方変換光子１５３を出力するように構成された第２の高調波を有する。上方変換光子１５３は、第１の光子１５２および第２の光子１５１からのエネルギーの和である。

【0065】

第１の共振器１６２は、半波長伝送線共振器（すなわち、１２Ａ、１２Ｂ、およびＪＲＭ１１０）であり、第２の共振器１６１は、集中素子共振器（すなわち、１１Ａ、１１Ｂ、およびＪＲＭ１１０）である。第１の共振器１６２は、ＪＲＭ１１０において中心で交差する２つのマイクロストリップ区域から形成される。第２の共振器１６１は、各々がＪＲＭ１１０に接続された上板および一緒に接続された下板（例えば、グラウンドを介して）を有するコンデンサ１１Ａおよび１１Ｂから形成される。上板および下板は、誘電体基板または媒質によって分離される。

【0066】

図９は、１つまたは複数の実施形態に従う、第１のキュービット６１１および第２のキュービット６１２の遠隔エンタングルメントのための方法のフローチャート９００である。ブロック９０５において、第１の量子システム６０１および第２の量子システム６０２に別個に接続された和周波数生成器回路１００が提供される。第１の量子システム６０１は、第１のキュービット６１１を含み、第２の量子システム６０２は、第２のキュービット６１２を含む。

【0067】

ブロック９１０において、和周波数生成器回路１００は、第１のキュービット６１１および第２のキュービット６１２を遠隔でエンタングルするように構成される。ブロック９１５において、入力読み出し信号６０５を受信することによって、第１の量子システム６０１は、第１の周波数ω_ｒ＋ωにある第１の出力読み出し信号６０５’を和周波数生成器回路１００に伝送するように構成され、入力読み出し信号６１０を受信することによって、第２の量子システム６０２は、第２の周波数ω_ｒ−ωにある第２の出力読み出し信号６１０’を和周波数生成器回路１００に伝送するように構成される。

【0068】

ブロック９２０において、和周波数生成器回路１００は、第１の周波数ω_ｒ＋ωおよび第２の周波数ω_ｒ−ωの組み合わせ／加算である上方変換周波数２ω_ｒを有する上方変換出力読み出し信号１６５を出力し、それにより、第１のキュービット６１１および第２のキュービット６１２を遠隔でエンタングルするように構成される。

【0069】

第１の出力読み出し信号６０５’は、第１のキュービット６１１の状態情報>｜ｅ_１>、｜ｇ_１>を含み、第２の出力読み出し信号６１０’は、第２のキュービット６１２の状態情報｜ｅ_２>、｜ｇ_２>を含む。

【0070】

上方変換出力読み出し信号６１５は、第１および第２のキュービット６１１、６１２の状態情報｜ｅ_１ｅ_２>、｜ｅ_１ｇ_２>、｜ｇ_１ｇ_２>、｜ｇ_１ｅ_２>の累積である。

【0071】

図１０は、１つまたは複数の実施形態に従う、マイクロ波中継装置７００を構成するための方法のフローチャート１０００である。ブロック１００５において、第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器（例えば、ＳＦＧ１００＿１および１００＿２）までが提供される。ブロック１０１０において、第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから最後の自発的パラメトリック下方変換デバイス（例えば、ＳＰＤＣ１、２、および３）まで。

【0072】

ブロック１０１５において、第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器までの１つ１つが、第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスのうちの２つによって共有されるように、第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器まで（例えば、ＳＦＧ１００＿１および１００＿２）が、第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスまで（例えば、ＳＰＤＣ１、２、および３）のうちの２つに接続される（すなわち、それらから光子を受信する）。

【0073】

ブロック１０２０において、第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器までの合計（例えば、Ｎ−１個）は、第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスまでの合計より１つ少ない（例えば、Ｎ個）。限定ではなく説明の目的のために図７では３つのＳＰＤＣデバイス（すなわち、Ｎ）のみおよび２つのＳＦＧ回路（すなわち、Ｎ−１）のみが例証されるが、Ｎは、類推により４つ以上に拡張され得ることが諒解されよう。

【0074】

第１の自発的パラメトリック下方変換デバイス（例えば、ＳＰＤＣ１）によって生成される第１の光子７０１は、第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器（ＳＦＧ１００＿１および１００＿２）までのいずれによっても受信されない。最後の自発的パラメトリック下方変換デバイス（ＳＰＤＣ ３）によって生成される最後の光子７０６は、第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器まで（ＳＦＧ１００＿１および１００＿２）のいずれによっても受信されない。第１の和周波数生成器から最後の和周波数生成器まで（ＳＦＧ１００＿１および１００＿２）は、第１および第２の光子７０１および７０６の遠隔エンタングルメントを引き起こすように構成される。第１の自発的パラメトリック下方変換デバイスから最後の自発的パラメトリック下方変換デバイスまで（ＳＰＤＣ１、２、および３）は、例えば、非縮退性の三波混合増幅器である。

【0075】

技術的利益は、マイクロ波領域（例えば、１〜３０ＧＨｚ）で動作する量子デバイスを含む。量子デバイスは、和周波数生成を実施する、すなわち、周波数ｆ_Ｓ、ｆ_Ｉおよび運動量ｋ_Ｓ、ｋ_Ｉで量子デバイスのポートに入ってくる一対のマイクロ波光子を、エネルギーおよび運動量がエネルギーの和ｆ_ＵＰＣ＝ｆ_Ｉ＋ｆ_Ｓおよび入力光子の運動量の和ｋ_ＵＰＣ＝ｋ_Ｉ＋ｋ_Ｓに等しい、出射光子へと上方変換するように構成される。技術的利益および利点は、予告されるエンタングルメント生成が分散量子コンピューティングに十分である、２つのキュービットの遠隔エンタングルメントを含む。和周波数生成器としての量子デバイスは、量子通信のためなど、デバイス非依存量子鍵配送スキームにおいて重要な要素である。和周波数生成器としての量子デバイスは、量子通信に利用される量子マイクロ波中継装置において重要な要素である。さらに、技術的利益は、マイクロストリップ共振器および集中素子共振器を組み合わせるハイブリッド型ＪＰＣを作成することによって、信号およびアイドラに加えてデバイスの上方変換信号を共振モードにすることを含む。加えて、技術的利益は、デバイスが和周波数生成器として機能することができるようにＪＲＭおよびＪＲＭの電磁環境を設計し、ｆ_ＵＰＣ＝ｆ_Ｓ＋ｆ_Ｉおよびγ_ａ，γ_ｂ＜ｇ_３，γ_２ｐｈ＜γ_ｃを満足することを含み、式中、

【0076】

【数2】

である。

【0077】

「約」という用語およびその変形形態は、本出願の提出時に利用可能な設備に基づいた特定の量の測定と関連付けられた誤差の度合いを含むことが意図される。例えば、「約」は、与えられた値の±８％、または５％、または２％の範囲を含み得る。

【0078】

本発明の態様は、本発明の実施形態に従う方法、装置（システム）、およびコンピュータ・プログラム製品のフローチャート例示図またはブロック図あるいはその両方に関連して本明細書内で説明される。フローチャート例示図またはブロック図あるいはその両方の各ブロック、ならびにフローチャート例示図またはブロック図あるいはその両方におけるブロックの組み合わせは、コンピュータ可読プログラム命令によって実施され得ることが理解されよう。

【0079】

図面内のフローチャートおよびブロック図は、本発明の様々な実施形態に従うシステム、方法、およびコンピュータ・プログラム製品の可能性のある実装形態のアーキテクチャ、機能性、および動作を例証する。この点に関して、フローチャートおよびブロック図内の各ブロックは、指定の論理機能を実施するための１つまたは複数の実行可能な命令を含む、命令のモジュール、セグメント、または部分を表し得る。いくつかの代替的な実装形態において、ブロック内に記述される機能は、図中に記述された順序から外れて発生し得る。例えば、連続して示される２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行され得るか、または、ブロックは、関連する機能性に応じて、時には、逆の順序で実行され得る。ブロック図またはフローチャート例示図あるいはその両方の各ブロック、ならびにブロック図またはフローチャート例示図あるいはその両方内のブロックの組み合わせが、指定の機能もしくは作用を実施する、または特殊用途ハードウェアおよびコンピュータ命令の組み合わせを実行する特殊用途ハードウェア・ベースのシステムによって実施され得ることにも留意されたい。

【0080】

本発明の様々な実施形態の説明は、例証の目的のために提示されているが、徹底的であること、または本明細書内で論じられる実施形態に限定されることを意図されない。多くの修正形態および変形形態は、説明された実施形態の範囲および思想から逸脱することなく当業者には明らかであるものとする。本明細書で使用される専門用語は、実施形態の原理、実際的応用、もしくは市場で見られる技術に対する技術的改善を最もよく説明するため、または、本明細書内で論じられる実施形態を当業者か理解することができるように選択された。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】