特許 7015912 パラメトリック増幅器システム

(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】

(24)【登録日】2022-01-26

(45)【発行日】2022-02-03

(54)【発明の名称】パラメトリック増幅器システム

(51)【国際特許分類】

   H03F 7/00 20060101AFI20220127BHJP

   H01L 39/22 20060101ALI20220127BHJP

   H03F 3/60 20060101ALI20220127BHJP

   H03H 7/38 20060101ALI20220127BHJP

【ＦＩ】

H03F7/00

H01L39/22 A

H01L39/22 K

H03F3/60

H03H7/38 Z

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020517875

(86)(22)【出願日】2018-09-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-12-03

(86)【国際出願番号】 US2018051076

(87)【国際公開番号】W WO2019089141

(87)【国際公開日】2019-05-09

【審査請求日】2020-03-27

(31)【優先権主張番号】15/799,017

(32)【優先日】2017-10-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】520128820

【氏名又は名称】ノースロップ グラマン システムズ コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】ネイアマン、オフェル

(72)【発明者】

【氏名】ファーガソン、デイビッド ジョージ

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００４３９４５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００９－２２５２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５３０８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１８８９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５２７９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第０３２１７３３６（ＥＰ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００８５２３１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０４１３２９５６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｆ １／００－ ３／７２

Ｈ０１Ｌ ３９／２２

Ｈ０３Ｈ ７／００－ ７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パラメトリック増幅器システムであって、
信号トーンを伝搬する入力／出力（Ｉ／Ｏ）伝送線と、
前記信号トーンを増幅するように構成された非線形回路であって、前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路を形成するように直列に配置された複数の無線周波数（ＲＦ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含み、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各ＲＦＳＱＵＩＤは、ジョセフソン接合と、前記ジョセフソン接合と並列に配置された一対のインダクタとを含む、前記非線形回路と、
ここで、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各ＲＦＳＱＵＩＤの前記一対のインダクタのうちの１つの個別のインダクタは、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの先行するＲＦＳＱＵＩＤに共通であり、隣接するＲＦＳＱＵＩＤのジョセフソン接合は、前記１つの個別のインダクタを介して互いに接続されており、
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの最後のＲＦＳＱＵＩＤにおける前記１つの個別のインダクタとは異なる別のインダクタとジョセフソン接合とは、追加のインダクタに接続されており、
前記Ｉ／Ｏ伝送線に結合され、前記Ｉ／Ｏ伝送線と前記非線形回路との間で前記信号トーンのインピーダンス整合を提供するインピーダンス整合ネットワークと、を備えるパラメトリック増幅器システム。

【請求項2】

前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各ＲＦＳＱＵＩＤの各対のインダクタは、前記少なくとも１つの誘導経路の一部を形成する、請求項１に記載のパラメトリック増幅器システム。

【請求項3】

前記複数のＲＦＳＱＵＩＤが、前記非線形回路の第１の端子と前記非線形回路の第２の端子との間に直列に配置されている、請求項１に記載のパラメトリック増幅器システム。

【請求項4】

前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各々の前記一対のインダクタが前記１つの個別のインダクタに対応する第１のインダクタと、前記別のインダクタに対応する第２のインダクタとを含み、前記第１のインダクタは、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの対応する１つと前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの先行する１つとを相互に接続し、前記信号トーンに応じて、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの前記対応するＲＦＳＱＵＩＤと前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの前記先行するＲＦＳＱＵＩＤとに磁束を提供する、請求項１に記載のパラメトリック増幅器システム。

【請求項5】

前記複数のＲＦＳＱＵＩＤが、前記非線形回路の前記第１および第２の端子間に並列に配置される第１のＲＦＳＱＵＩＤ配列および第２のＲＦＳＱＵＩＤ配列として配置されている、請求項３に記載のパラメトリック増幅器システム。

【請求項6】

前記非線形回路が、前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路にポンプ電流を誘導的に結合する変圧器を含む、請求項１に記載のパラメトリック増幅器システム。

【請求項7】

前記インピーダンス整合ネットワークが少なくとも１つのインピーダンス整合要素を含み、前記少なくとも１つのインピーダンス整合要素が、前記信号トーンに関連する対応する少なくとも１つの周波数極を提供するように構成されており、
前記少なくとも１つのインピーダンス整合要素の各々が、並列に配置されるインダクタおよびコンデンサとして構成された共振器を含み、かつ前記少なくとも１つのインピーダンス整合要素の各々がコンデンサを介して相互に接続されている、請求項１に記載のパラメトリック増幅器システム。

【請求項8】

前記インピーダンス整合ネットワークが、前記信号トーンに関連する対応する複数の周波数極を提供するように構成された複数のインピーダンス整合要素を含み、前記複数のインピーダンス整合要素のうちの１つが、前記複数のインピーダンス整合要素のうちの別の１つへの容量結合と低電圧レールとの間のコンデンサに並列に配置された前記非線形回路を含む、請求項１に記載のパラメトリック増幅器システム。

【請求項9】

パラメトリック増幅器システムであって、
信号トーンを伝搬する入力／出力（Ｉ／Ｏ）伝送線と、
前記Ｉ／Ｏ伝送線に結合され、前記信号トーンに関連する周波数極を提供する少なくとも１つのインピーダンス整合要素と、
前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路を形成するように直列に配置された複数の無線周波数（ＲＦ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含む非線形回路であって、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各ＲＦＳＱＵＩＤは、ジョセフソン接合と、前記ジョセフソン接合と並列に配置された一対のインダクタとを含み、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各ＲＦＳＱＵＩＤの各対のインダクタは、前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路の別個の誘導経路部分を形成する、前記非線形回路と、を備え、
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各ＲＦＳＱＵＩＤの前記一対のインダクタのうちの１つの個別のインダクタは、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの先行するＲＦＳＱＵＩＤに共通であり、隣接するＲＦＳＱＵＩＤのジョセフソン接合は、前記１つの個別のインダクタを介して互いに接続されており、
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの最後のＲＦＳＱＵＩＤにおける前記１つの個別のインダクタとは異なる別のインダクタとジョセフソン接合とは、追加のインダクタに接続されている、パラメトリック増幅器システム。

【請求項10】

前記複数のＲＦＳＱＵＩＤが、前記非線形回路の第１の端子と前記非線形回路の第２の端子との間に直列に配置されている、請求項９に記載のパラメトリック増幅器システム。

【請求項11】

前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各々の前記一対のインダクタが前記１つの個別のインダクタに対応する第１のインダクタと、前記別のインダクタに対応する第２のインダクタとを含み、前記第１のインダクタは、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの対応する１つと前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの先行する１つとを相互に接続し、前記信号トーンに応じて、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの前記対応するＲＦＳＱＵＩＤと前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの前記先行するＲＦＳＱＵＩＤとに磁束を提供する、請求項９に記載のパラメトリック増幅器システム。

【請求項12】

前記複数のＲＦＳＱＵＩＤが、前記非線形回路の前記第１および第２の端子間に並列に配置される第１のＲＦＳＱＵＩＤ配列および第２のＲＦＳＱＵＩＤ配列として配置されている、請求項１０に記載のパラメトリック増幅器システム。

【請求項13】

前記非線形回路が、前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路にポンプ電流を誘導的に結合する変圧器を含む、請求項９に記載のパラメトリック増幅器システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して古典的および量子コンピューティングシステムに関し、より具体的にはパラメトリック増幅器システムに関する。本出願は、２０１７年１０月３１日に出願された米国特許出願番号第１５／７９９，０１７号の優先権を主張し、その全体が本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

パラメトリック発振器は、典型的には発振器の固有周波数と異なる周波数においてシステムのパラメータを変化させることにより振動が起きる駆動調和振動子（driven harmonic oscillator）である。パラメトリック発振器は、発振未満のポンプレベルで動作する場合などにパラメトリック増幅器として信号を増幅することができる。典型的なパラメトリック増幅器は、抵抗の代わりにリアクタンスを変化させることに基づいて、トランジスタや真空管などの利得デバイスに基づく通常の増幅器よりもはるかに低いノイズを示すことができる。パラメトリック発振器の例は、無線およびマイクロ波周波数範囲で低ノイズ増幅器として動作するバラクタ（varactor）パラメトリック増幅器である。バラクタパラメトリック増幅器は、バラクタダイオードにより所与のマイクロ波信号のリアクタンスを非線形的に調整することができる。パラメトリック増幅器を必要とする用途は、高帯域幅と高利得の両方を要求する場合があり、所与のパラメトリック増幅器の設計でトレードオフが生じる場合がある。

【発明の概要】

【0003】

一実施例は、パラメトリック増幅器システムを含む。システムは、信号トーンを伝搬する入力／出力（Ｉ／Ｏ）伝送線を含む。システムはまた、少なくとも１つのジョセフソン接合を含む非線形回路であって、前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路を前記少なくとも１つのジョセフソン接合と並列に提供する前記非線形回路を含む。システムはさらに、前記Ｉ／Ｏ伝送線に結合され、前記Ｉ／Ｏ伝送線と非線形要素との間の前記信号トーンのインピーダンス整合を提供するインピーダンス整合ネットワークを含む。

【0004】

別の実施例は、パラメトリック増幅器システムを含む。システムは、信号トーンを伝搬するＩ／Ｏ伝送線と、前記Ｉ／Ｏ伝送線に結合され、前記信号トーンに関連付けられた周波数極を提供する少なくとも１つのインピーダンス整合要素とを含む。システムはまた、少なくとも１つのジョセフソン接合を含む非線形回路であって、前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路を前記少なくとも１つのジョセフソン接合と並列に提供する前記非線形回路を含む。

【0005】

別の実施例は、パラメトリック増幅器システムを含む。システムは、信号トーンを伝搬するＩ／Ｏ伝送線と、前記Ｉ／Ｏ伝送線に結合され、前記信号トーンに関連付けられた周波数極を提供する少なくとも１つのインピーダンス整合要素とを含む。システムはまた、非線形回路であって、前記非線形回路の第１の端子と第２の端子との間の配列内に交互の向きに配置されて前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路を提供する複数のＲＦ超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含む前記非線形回路を含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】パラメトリック増幅器システムの一例を示す図。

【図2】パラメトリック増幅器システムの別の例を示す図。

【図3】非線形回路の例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本開示は、概して、古典的および量子コンピューティングシステムに関し、より具体的には、パラメトリック増幅器システムに関する。パラメトリック増幅器システムは、量子ビットの状態読み出しを行う場合など、信号トーンの増幅を必要とし得る種々の古典的および量子コンピュータシステムに実装することができる。パラメトリック増幅器システムは、高周波信号トーン（例えば、約７．５ＧＨｚの中心周波数を有するもの）が伝搬可能な入力／出力（Ｉ／Ｏ）伝送線を含むことができる。一例として、Ｉ／Ｏ伝送線は、信号トーンに関連付けられた入力および出力の両方に対応し、増幅された出力信号トーンがＩ／Ｏ伝送線に反射して戻され、Ｉ／Ｏ伝送線で入力信号トーンから（例えば、サーキュレータを介して）分離可能とされる。その結果、出力信号トーンをＩ／Ｏ伝送線から提供して（例えば、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）を介して）処理することができる。

【0008】

また、パラメトリック増幅器は、信号トーンに関して対応する少なくとも１つの周波数極（pole）を提供する少なくとも１つのインピーダンス整合要素を含む。一例として、各インピーダンス整合要素は、Ｉ／Ｏ伝送線に結合された共振器として構成することができ、かつリアクティブ回路要素（例えば、コンデンサまたはインダクタ）によって分離することができる。パラメトリック増幅器はさらに、信号トーンの増幅を行うように構成された非線形回路を含む。一例として、非線形回路は、信号トーンの少なくとも１つの誘導経路と並列に配置される少なくとも１つのジョセフソン接合を含むことができる。例えば、非線形回路は、交互に直列に配置される複数のＲＦ超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含むことができる。各ＲＦＳＱＵＩＤは、ジョセフソン接合と、対応するジョセフソン接合と並列に誘導経路を形成する一対のインダクタとを含むことができる。例えば、ＲＦＳＱＵＩＤの配列は、非線形回路の対応する端子間に２つの直列ＲＦＳＱＵＩＤ配列が並列に提供され得るように、２つの誘導経路を並列に含むことができる。その結果、パラメトリック増幅器は、高い飽和電力（例えば、約－９０ｄＢ）で広い帯域幅（例えば、少なくとも約１ＧＨｚ）にわたって十分な利得（例えば、少なくとも約２０ｄＢ）を実現することができる。

【0009】

図１は、パラメトリック増幅器システム１０の一例を示す。パラメトリック増幅器システム１０は、量子ビットの状態読み出しを行う場合など、信号トーンの増幅を必要とし得る種々の古典的および量子コンピュータシステムに実装することができる。

【0010】

パラメトリック増幅器システム１０は、図１の例において信号ＳＩＧとして示される高周波信号トーンが伝搬可能な入力／出力（Ｉ／Ｏ）伝送線１２を含む。一例として、信号トーンＳＩＧは、約７．５ＧＨｚを中心とし得る少なくとも約１．６ＧＨｚの周波数帯域を包含する周波数範囲内の周波数を有することができる。図１の例では、Ｉ／Ｏ伝送線１２は、信号トーンＳＩＧに関連する入力信号トーンＳＩＧ_ＩＮおよび出力信号トーンＳＩＧ_ＯＵＴの双方に関する入力に対応することができる。一例として、増幅された出力信号トーンＳＩＧ_ＯＵＴはＩ／Ｏ伝送線１２に反射して戻され、Ｉ／Ｏ伝送線１２において入力信号トーンＳＩＧ_ＩＮから（例えば、サーキュレータを介して）分離することができる。その結果、出力信号トーンＳＩＧ_ＯＵＴは、Ｉ／Ｏ伝送線１２から提供され、受信機においてアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）などを介して処理することができる。

【0011】

一例として、Ｉ／Ｏ伝送線１２は、約５０ΩのインピーダンスＺ_０を有することができる。また、パラメトリック増幅器システム１０は、信号トーンＳＩＧに関して少なくとも１つの周波数極を提供するように構成されたインピーダンス整合ネットワーク１４を含む。一例として、インピーダンス整合ネットワーク１４は、少なくとも１つのインピーダンス整合要素を含み、信号トーンＳＩＧに関して対応する少なくとも１つの周波数極を提供する。一例として、各インピーダンス整合要素は、Ｉ／Ｏ伝送線１２に結合された共振器として構成することができ、かつコンデンサによって分離することができる。したがって、インピーダンス整合ネットワーク１４は、本明細書で詳細に説明されるように、信号トーンＳＩＧの増幅に関して信号トーンＳＩＧのインピーダンス整合を提供することができる。

【0012】

パラメトリック増幅器システム１０はさらに、非線形回路１６を含む。非線形回路１６は、入力信号トーンＳＩＧ_ＩＮのパラメトリック増幅を行うことにより、増幅された出力信号トーンＳＩＧ_ＯＵＴを提供するように構成されている。一例として、非線形回路１６は、信号トーンＳＩＧの少なくとも１つの誘導経路と並列に配置される少なくとも１つのジョセフソン接合を含むことができる。例えば、非線形回路１６は、配列に沿って互い違いに配置される複数のＲＦ超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含むことができる。各ＲＦＳＱＵＩＤは、ジョセフソン接合と、対応するジョセフソン接合と並列に信号トーンＳＩＧの誘導経路を形成する一対のインダクタとを含むことができる。例えば、ＲＦＳＱＵＩＤの配列は、非線形回路１６の対応する端子間に２つのＲＦＳＱＵＩＤ配列が並列に提供され得るように、２つの誘導経路を並列に含むことができる。

【0013】

また、図１の例では、非線形回路１６はポンプ電流Ｉ_ＰＵＭＰを受け取る。一例として、ポンプ電流Ｉ_ＰＵＭＰは、ＤＣ成分と、増幅器の動作中心周波数の約２倍の周波数（例えば、７．５ＧＨｚで動作するパラメトリック増幅器システム１０の場合には約１５ＧＨｚ）を有し得るＡＣ成分を有することができる。例えば、ポンプ電流Ｉ_ＰＵＭＰは、非線形回路１６内の非線形要素（例えば、ジョセフソン接合）のインダクタンスを周期的に変化させて信号トーンＳＩＧを増幅するために供給することができる。

【0014】

図２は、パラメトリック増幅器システム５０の一例を示す。パラメトリック増幅器システム５０は、量子ビットの状態読み出しを行う場合など、信号トーンの増幅を必要とし得る種々の古典的および量子コンピュータシステムに実装することができる。一例として、パラメトリック増幅器システム５０は、図１の例におけるパラメトリック増幅器システム１０に対応することができる。

【0015】

パラメトリック増幅器システム５０はＩ／Ｏ伝送線５２を含み、図２の例では、Ｉ／Ｏ伝送線５２上の高周波信号トーンは入力信号トーンＳＩＧ_ＩＮおよび出力信号トーンＳＩＧ_ＯＵＴを含むものとして示されている。一例として、増幅された出力信号トーンＳＩＧ_ＯＵＴはＩ／Ｏ伝送線５２に反射して戻され、Ｉ／Ｏ伝送線５２において（例えば、サーキュレータを介して）入力信号トーンＳＩＧ_ＩＮから分離することができる。また、パラメトリック増幅器システム５０は、複数のインピーダンス整合要素を含む。図２の例では、これらのインピーダンス整合要素は、第１のインピーダンス整合要素５４と、コンデンサＣ_１２によって第１のインピーダンス整合要素５４から分離された第２のインピーダンス整合要素５６と、Ｉ／Ｏ伝送線５２に結合されコンデンサＣ_２３によって第２のインピーダンス整合要素５６から分離された第３のインピーダンス整合要素５８として示されている。

【0016】

第１のインピーダンス整合要素５４は、コンデンサＣ_１２に結合されたノード６０と図２の例ではグランドとして示される低電圧レールとの間に配置されたコンデンサＣ_Ｐ１を含む。第２のインピーダンス整合要素５６は、コンデンサＣ_１２，Ｃ_２３を相互接続するノード６２と低電圧レールとの間に並列に配置されたインダクタＬ_Ｐ２およびコンデンサＣ_Ｐ２を含む。第３のインピーダンス整合要素５８は、Ｉ／Ｏ伝送線５２と低電圧レールとの間に並列に配置されたインダクタＬ_Ｐ３およびコンデンサＣ_Ｐ３を含む。インピーダンス整合要素５４，５６，５８の各々は、信号トーンＳＩＧに関して周波数極を提供するように構成されている。一例として、インピーダンス整合要素５４，５６，５８は、図１の例におけるインピーダンス整合ネットワーク１４に集合的に対応することができる。

【0017】

パラメトリック増幅器システム５０はさらに、第１のインピーダンス整合要素５４の一部を形成する非線形回路６４を含む。非線形回路６４は、入力信号トーンＳＩＧ_ＩＮのパラメトリック増幅を行うことにより、増幅された出力信号トーンＳＩＧ_ＯＵＴを提供するように構成されている。図２の例では、非線形回路６４に関連する（例えば、複数のＲＦＳＱＵＩＤに対する）磁束を励起（pump）可能なポンプ電流Ｉ_ＰＵＭＰが非線形回路６４に供給される。例えば、ポンプ電流Ｉ_ＰＵＭＰは、ＤＣ成分と、パラメトリック増幅器システム５０の周波数帯域の動作中心周波数の２倍の周波数（例えば、約７．５ＧＨｚの中心周波数に関して約１５ＧＨｚ）などを有する高周波ＡＣ成分を有することができる。その結果、ポンプ電流Ｉ_ＰＵＭＰは、非線形回路６４に関連するインダクタンスを変調することができる。非線形回路６４は、実効アドミタンスＹ_ｓｑ（ω_０）を有するように構成することができ（ω_０は信号トーンＳＩＧが占め得る周波数帯域の中心周波数に相当する）、インピーダンス整合要素５４，５６，５８から構成されたインピーダンス整合ネットワークにより、実効負荷Ｙ_ｓｑ（ω_０）とＩ／Ｏ伝送線５２（例えば、Ｚ_０＝約５０Ω）との間を整合させる３極バンドパスネットワークを提供することができる。一例として、パラメトリック増幅器システムで励起された非線形性により信号ポートに実効負性抵抗が提供されて反射ゲインが生じる。例えば、インピーダンス整合要素５４，５６，５８によって提供される３極インピーダンス整合ネットワークに基づいて、パラメトリック増幅器システム５０は約１．６ＧＨｚの帯域幅を有することができる。

【0018】

図３は、非線形回路１００の一例を示す。非線形回路１００は、図１および図２のそれぞれの例における非線形回路１６，６４に対応することができる。したがって、図３の例による以下の説明では、図１および図２の例を参照する。

【0019】

非線形回路１００は、図２の例でノード６０および低電圧レールに結合された端子にそれぞれ対応し得る第１の端子１０２および第２の端子１０４を含む。第１の端子１０２は、本明細書で詳細に説明するように、入力インダクタＬ_ＩＮが非線形回路１００の２つの配列の各々で信号トーンＳＩＧにほぼ等しいインダクタンスを提供するように、入力インダクタＬ_ＩＮに結合されている。第２の端子１０４は変圧器１０６の二次巻線に結合され、変圧器１０６の一次巻線はポンプ電流Ｉ_ＰＵＭＰを伝導するように構成されている。また、非線形回路１００は複数（２×Ｎ個）のＲＦＳＱＵＩＤ１０８を含み、これらＲＦＳＱＵＩＤ１０８の配列は、第１および第２の端子１０２，１０４間において、２列のＮ個のＲＦＳＱＵＩＤ１０８の並列した交互配列で配置されている。一例として、Ｎは２０である。したがって、２列のＮ個のＲＦＳＱＵＩＤ１０８の配列は、第１および第２の端末１０２，１０４間で互いに鏡像として示される。

【0020】

各ＲＦＳＱＵＩＤ１０８は、一対のインダクタとジョセフソン接合とを含む。２列のＮ個のＲＦＳＱＵＩＤ１０８の配列の各々において、インダクタはＬ_Ｘ１，Ｌ_Ｘ２で示されており、Ｘは、対応するＲＦＳＱＵＩＤ１０８の配列に沿った対応するＲＦＳＱＵＩＤ１０８の数に相当する。同様に、２列のＮ個のＲＦＳＱＵＩＤ１０８の配列の各々において、ジョセフソン接合はＪ_Ｘで示されている。一例として、すべてのジョセフソン接合Ｊ_Ｘは、ほぼ等しい臨界電流Ｉ_Ｃを有することができる。図３の例では、Ｌ_１１を除いて各ＲＦＳＱＵＩＤ１０８の第１のインダクタＬ_Ｘ１は、そのＲＦＳＱＵＩＤ１０８の列において先行するＲＦＳＱＵＩＤ１０８に共通である。また、Ｎ番目のＲＦＳＱＵＩＤ１０８は、変圧器１０６の二次巻線に結合される追加のインダクタＬ_{（Ｎ＋１）１}を含む。本明細書で説明するように、図３の例では、ＲＦＳＱＵＩＤ１０８のインダクタＬ_Ｘ１，Ｌ_Ｘ２は、第１および第２の端子１０２，１０４間において信号トーンＳＩＧの一対のインダクタ誘導経路を形成し、これら各誘導経路は、対応する各ジョセフソン接合Ｊ_Ｘと並列なインダクタＬ_Ｘ１，Ｌ_Ｘ２を介して提供されている。結果として、複数のジョセフソン接合Ｊ_Ｘの累積非線形効果は、誘導経路を介してジョセフソン接合Ｊ_Ｘを分配する方法で実現され、各ジョセフソン接合Ｊ_Ｘのより大きな臨界電流を実現しつつ、ジョセフソン接合Ｊ_Ｘのいずれか１つのインダクタンスよりも大きくなるようにＲＦＳＱＵＩＤ１０８の各配列の累積インダクタンスを提供する。その結果、非線形回路１００は、ジョセフソン接合Ｊ_Ｘのスプリアス発生を実質的に低減する方法でパラメトリック増幅を実現することができる。したがって、パラメトリック増幅器システム５０は、典型的なジョセフソン接合パラメトリック増幅器システムと比べて、高い飽和電力と高い利得を有するより広い帯域幅にわたるパラメトリック増幅を実現することができる。

【0021】

一例として、図２および図３において、インピーダンス整合要素５４の第１の極は、シャント容量Ｃ_１と並列な線形インダクタンスＬ_ａ（Φ_ｄｃ）から構成されている（図示略）。この容量Ｃ_１およびω_０の選択により、必要とされる磁束バイアスΦ_ｄｃ動作点が以下のように決定される。

【0022】

【数1】

また、Ｃ_１およびω_０の選択により、第１のインピーダンス整合要素５４の共振器のインピーダンスＺ_１が以下のように決定される。

【0023】

【数2】

同様に、他のインピーダンス整合要素５６，５８の２つの極は、以下のようなインピーダンスＺ_２，Ｚ_３を有するように形成される。

【0024】

【数3】

インピーダンス整合要素５４，５６，５８の共振器は、以下のような集計フィルタプロトタイプ｛ｇ_ｉ｝から計算可能な値を有するアドミタンスインバータＪ_ｉｊを介して結合される。

【0025】

【数4】

ここで、Ｚ_０＝５０Ωであってｗが比帯域幅の場合には、以下が定義される。

【0026】

【数5】

ここで、Ｒ_ｓｑ＝１／Ｒ_ｅ｛Ｙ_ｓｑ｝である。

【0027】

一例として、第３のインピーダンス整合要素５８のインピーダンスＺ_３は、次のように選択することができる。

【0028】

【数6】

別の例として、第２のインピーダンス整合要素５６のインピーダンスＺ_２は、次のように選択することができる。

【0029】

【数7】

別の例として、アドミタンスインバータは、以下を満たすパラメトリック増幅器システム５０を形成する容量性パイセクション（capacitive pi-sections）として配置することができる。

【0030】

【数8】

その結果、Ｉ／Ｏ伝送線５２の例示的な５０ΩインピーダンスＺ_０に対して、インピーダンス整合要素５４，５６，５８によって形成されるインピーダンス整合ネットワークを介して見た非線形要素６４，１００に関連するアドミタンスＹ_ｅｘｔ（ω）は、周波数帯域の中心において以下のように評価することができる。

【0031】

【数9】

したがって、パラメトリック増幅器システム５０は、式１～１４に基づいて設計されることで、非線形回路６４，１００のジョセフソン非線形性に十分なインピーダンス整合を提供することができる。

【0032】

一例として、ポンプ電流Ｉ_ＰＵＭＰの振幅が非線形回路１００のアドミタンスＹ_ｓｑに基づいて選択されることにより、所望のポンプ振幅Φ_ａｃしたがってパラメトリック増幅器システム５０の所望の利得を提供することができる。一例として、磁束ポンプによる非線形性は以下のように与えられ得る。

【0033】

【数10】

ここで、ω_ｓは信号トーンＳＩＧの周波数であり、Ｌ_ａ，Ｌ_ｂ，Ｌ_ｃは以下のように表される。

【0034】

【数11】

ここで、Ｌ´_Ｔ（Φ_ａｃ）は、パラメトリック増幅器システム５０の動作点において評価されるインダクタンスの磁束微分であり、ω_ｉは、ω_ｉ＝ω_ｐ－ω_ｓで表されるアイドラ周波数（idler frequency）であり、ω_ｐはポンプ電流の周波数である。

【0035】

上記したように、非線形回路１００は２つのＲＦＳＱＵＩＤ配列として形成され、各配列のＮ段の各々は、対応する線形インダクタＬ_Ｘ１，Ｌ_Ｘ２によって分路される臨界電流Ｉ_Ｃを有するジョセフソン接合Ｊ_Ｘで構成されるものとして示されている。したがって、並列にある２つの配列のインダクタンス、および磁束微分Ｌ´_Ｔ（Φ_ａｃ）は、以下のように表すことができる。

【0036】

【数12】

ここで_、Φ_０は磁束量子であり_、δ_０（Φ_ｄｃ）は次のように表すことができる。

【0037】

【数13】

したがって、式１４と組み合わせた式１５～２１に基づいて、ポンプ電流Ｉ_ＰＵＭＰの振幅を選択することにより、以下の式が動作周波数帯域の中心で式７の制約を満たすポンプ振幅Φ_ａｃを提供することができる。

【0038】

【数14】

インピーダンス整合要素５４，５６，５８によって形成されたインピーダンス整合ネットワークと組み合わせて非線形回路６４，１００を配置することにより、パラメトリック増幅器システム５０は、信号トーンＳＩＧのパラメトリック増幅を（例えば、典型的なジョセフソンパラメトリック増幅器に比べて）高い利得および高い飽和電力で、広い帯域幅にわたって提供することができる。一例として、所与の信号周波数ω_ｓにおけるアイドラ周波数のアドミタンスＹ_ｅｘｔ（ω_ｐ－ω_ｓ）を評価することで、励起された非線形性のアドミタンスＹ_ｓｑ（ω_ｓ）を計算することができる。このため、Ｉ／Ｏ伝送線５２の例示的な５０ΩインピーダンスＺ_０とパラメトリック増幅器システム５０の全体のインピーダンスＺ_ａｍｐ（ω_ｓ）から分かるパラメトリック増幅器システム５０のインピーダンスと、信号電力利得は以下のように計算することができる。

【0039】

【数15】

したがって、インピーダンス整合要素５４，５６，５８のインピーダンス整合ネットワークと非線形回路１００とを用いてパラメトリック増幅器システム５０を実装することにより、典型的なジョセフソン接合パラメトリック増幅器に比べて、広帯域性能を実現しつつ、より高い利得およびより広い帯域幅を最小のリップルで実現することができる。また、この非線形要素１００のＲＦＳＱＵＩＤ配列が実装されることで、典型的なジョセフソン接合パラメトリック増幅器システムに比べて、高い飽和電力を実現することができる。

【0040】

以上の説明は本発明の例示である。本開示を説明する目的のために構成要素または方法のあらゆる考えられる組み合わせを記載することは勿論不可能であり、当業者は本開示のさらなる多くの組み合わせおよび置換が可能であることを認識し得る。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれるすべてのそのような代替、変形、および変更を包含することが意図される。
本開示に含まれる技術的思想を以下に記載する。
（付記１）
パラメトリック増幅器システムであって、
信号トーンを伝搬する入力／出力（Ｉ／Ｏ）伝送線と、
前記信号トーンを増幅するように構成された非線形回路であって、前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路と並列に配置された少なくとも１つのジョセフソン接合を含む前記非線形回路と、
前記Ｉ／Ｏ伝送線に結合され、前記Ｉ／Ｏ伝送線と前記非線形回路との間で前記信号トーンのインピーダンス整合を提供するインピーダンス整合ネットワークと、
を備えるパラメトリック増幅器システム。
（付記２）
前記少なくとも１つのジョセフソン接合が複数のジョセフソン接合であり、各前記ジョセフソン接合が前記少なくとも１つの誘導経路の別個の部分と個別に並列に配置されている、付記１に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記３）
前記非線形回路が、前記非線形回路の第１の端子と前記非線形回路の第２の端子との間の配列内に配置された複数の無線周波数（ＲＦ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含む、付記１に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記４）
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各々が、前記少なくとも１つのジョセフソン接合のうちの対応する１つを含み、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤが交互パターンで配置され、各前記ＲＦＳＱＵＩＤに関連する前記対応するジョセフソン接合と並列に前記少なくとも１つの誘導経路を提供する、付記３に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記５）
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各々が第１のインダクタと第２のインダクタとを含み、前記第１のインダクタは、前記配列内で前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの対応する１つと前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの先行する１つとを相互に接続し、前記信号トーンに応じて、前記対応するＲＦＳＱＵＩＤと前記先行するＲＦＳＱＵＩＤとに磁束を提供する、付記３に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記６）
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤが、前記非線形回路の前記第１および第２の端子間に並列に配置される第１のＲＦＳＱＵＩＤ配列および第２のＲＦＳＱＵＩＤ配列として配置されている、付記３に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記７）
前記非線形回路が、前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路にポンプ電流を誘導的に結合する変圧器を含む、付記１に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記８）
前記インピーダンス整合ネットワークが少なくとも１つのインピーダンス整合要素を含み、前記少なくとも１つのインピーダンス整合要素が、前記信号トーンに関連する対応する少なくとも１つの周波数極を提供するように構成されている、付記１に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記９）
前記少なくとも１つのインピーダンス整合要素の各々が、並列に配置されるインダクタおよびコンデンサとして構成された共振器を含み、かつ前記少なくとも１つのインピーダンス整合要素の各々がコンデンサを介して相互に接続されている、付記８に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記１０）
前記インピーダンス整合ネットワークが、前記信号トーンに関連する対応する複数の周波数極を提供するように構成された複数のインピーダンス整合要素を含み、前記複数のインピーダンス整合要素のうちの１つが、前記複数のインピーダンス整合要素のうちの別の１つへの容量結合と低電圧レールとの間のコンデンサに並列に配置された前記非線形回路を含む、付記１に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記１１）
パラメトリック増幅器システムであって、
信号トーンを伝搬する入力／出力（Ｉ／Ｏ）伝送線と、
前記Ｉ／Ｏ伝送線に結合され、前記信号トーンに関連する周波数極を提供する少なくとも１つのインピーダンス整合要素と、
複数のジョセフソン接合を含み、各前記ジョセフソン接合が前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路の別個の部分と個別に並列に配置された非線形回路と、
を備えるパラメトリック増幅器システム。
（付記１２）
前記非線形回路が、前記非線形回路の第１の端子と前記非線形回路の第２の端子との間の配列内に配置された複数の無線周波数（ＲＦ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含む、付記１１に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記１３）
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各々が、前記複数のジョセフソン接合のうちの対応する１つを含み、前記複数のＲＦＳＱＵＩＤが交互パターンで配置され、各前記ＲＦＳＱＵＩＤに関連する前記対応するジョセフソン接合と並列に前記少なくとも１つの誘導経路を提供する、付記１２に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記１４）
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各々が第１のインダクタと第２のインダクタとを含み、前記第１のインダクタは、前記配列内で前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの対応する１つと前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの先行する１つとを相互に接続し、前記信号トーンに応じて、前記対応するＲＦＳＱＵＩＤと前記先行するＲＦＳＱＵＩＤとに磁束を提供する、付記１２に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記１５）
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤが、前記非線形回路の前記第１および第２の端子間に並列に配置される第１のＲＦＳＱＵＩＤ配列および第２のＲＦＳＱＵＩＤ配列として配置されている、付記１２に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記１６）
前記非線形回路が、前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路にポンプ電流を誘導的に結合する変圧器を含む、付記１１に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記１７）
パラメトリック増幅器システムであって、
信号トーンを伝搬する入力／出力（Ｉ／Ｏ）伝送線と、
前記Ｉ／Ｏ伝送線に結合され、前記信号トーンに関連する周波数極を提供する少なくとも１つのインピーダンス整合要素と、
非線形回路であって、前記非線形回路の第１の端子と前記非線形回路の第２の端子との間の配列内に交互の向きに配置されて前記信号トーンの少なくとも１つの誘導経路を提供する複数の無線周波数（ＲＦ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含む前記非線形回路と、
を備えるパラメトリック増幅器システム。
（付記１８）
前記非線形回路が複数のジョセフソン接合を含み、各前記ジョセフソン接合が、前記少なくとも１つの誘導経路の別個の部分と個別に並列に配置されている、付記１７に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記１９）
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤの各々が第１のインダクタと第２のインダクタとを含み、前記第１のインダクタは、前記配列内で前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの対応する１つと前記複数のＲＦＳＱＵＩＤのうちの先行する１つとを相互に接続し、前記信号トーンに応じて、前記対応するＲＦＳＱＵＩＤと前記先行するＲＦＳＱＵＩＤとに磁束を提供する、付記１７に記載のパラメトリック増幅器システム。
（付記２０）
前記複数のＲＦＳＱＵＩＤが第１の複数のＲＦＳＱＵＩＤおよび第２の複数のＲＦＳＱＵＩＤとして配置され、前記第１の複数のＲＦＳＱＵＩＤと前記第２の複数のＲＦＳＱＵＩＤとが前記非線形回路の前記第１および第２の端子間に並列に配置されている、付記１７に記載のパラメトリック増幅器システム。

【図1】

【図2】

【図3】