特許 7607660 帯域パラメトリック増幅器、増幅回路

(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】2024-12-19

(45)【発行日】2024-12-27

(54)【発明の名称】帯域パラメトリック増幅器、増幅回路

(51)【国際特許分類】

   H03F 7/00 20060101AFI20241220BHJP

   H10N 60/10 20230101ALI20241220BHJP

   H03F 19/00 20060101ALI20241220BHJP

【ＦＩ】

H03F7/00

H10N60/10 K

H03F19/00

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2022538295

(86)(22)【出願日】2021-01-15

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-16

(86)【国際出願番号】 EP2021050762

(87)【国際公開番号】W WO2021148311

(87)【国際公開日】2021-07-29

【審査請求日】2023-06-22

(31)【優先権主張番号】16/749,949

(32)【優先日】2020-01-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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

【住所又は居所原語表記】Ｎｅｗ Ｏｒｃｈａｒｄ Ｒｏａｄ， Ａｒｍｏｎｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １０５０４， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(74)【代理人】

【識別番号】100120710

【弁理士】

【氏名又は名称】片岡 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】アブド、バレーフ

【審査官】福田 正悟

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００７４８０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２３２６５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１４－５２３７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０３７５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】Hamid Reza Mohebbi 他，Superconducting Coplanar Interdigital Filter With Robust Packaging，IEEE Transaction on Applied Superconductivity，Vol.25, No.3，2014年12月04日，pp.1-4

【文献】O.Naaman 他，High Saturation Power Josephson Parametric Amplifier with GHz Bandwidth，2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium，2019年07月25日，pp.259-262

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｆ ７／００

Ｈ１０Ｎ ６０／１０

Ｈ０３Ｆ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

帯域パラメトリック増幅器回路であって、
複数のユニット・セルであって、前記ユニット・セルのうちの少なくとも１つが、
中心導体に結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第１のインダクタと、
前記中心導体に結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第１のコンデンサと、
前記中心導体に結合された第１のノードを有する第２のインダクタと、
前記第２のインダクタの第２のノードに結合された第１のノードを有する第２のコンデンサであって、前記第２のコンデンサおよび前記第２のインダクタが前記中心導体と直列である、前記第２のコンデンサと、
前記中心導体に結合された第１のノードを有する第３のコンデンサと、
前記第３のコンデンサの第２のノードに結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第３のインダクタと、
前記第３のコンデンサの前記第２のノードに結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第４のコンデンサと、
を備え、
前記複数のユニット・セルが、前記帯域パラメトリック増幅器回路を生み出すラダー回路構造の部分であり、複数の数の前記ユニット・セルごとに共振構造を含み、前記複数の数のユニット・セルのそれぞれの中の前記共振構造が、ポンプ駆動と、前記帯域パラメトリック増幅器回路によって増幅された伝播する帯域内マイクロ波信号との間の位相整合を実現する、前記複数のユニット・セルと
を備える帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項2】

前記第１および第２のインダクタが非線形である、請求項１に記載の帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項3】

前記ラダー回路構造内のユニット・セル数が奇数である、請求項１に記載の帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項4】

前記複数の数が３から９である、請求項１に記載の帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項5】

前記複数の数のユニット・セルのそれぞれの中の前記共振構造が、前記帯域パラメトリック増幅器回路の利得曲線内の阻止帯域を定義する、請求項１に記載の帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項6】

前記帯域パラメトリック増幅器回路の共振回路の特性インピーダンスが５０オーム超である、請求項１に記載の帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項7】

前記帯域パラメトリック増幅器回路がサーキュレータ回路の部分である、請求項１に記載の帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項8】

前記第１および第２のインダクタのそれぞれが、ジョセフソン接合のアレイを備える、請求項１に記載の帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項9】

各ジョセフソン接合がアルミニウム（Ａｌ）またはニオビウム（Ｎｂ）超伝導電極を備える、請求項８に記載の帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項10】

前記第１および第２のコンデンサのそれぞれが、低損失誘電体基板上でコプレーナ導波路幾何形状で構築される、請求項１に記載の帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項11】

前記帯域パラメトリック増幅器回路が方向性増幅器である、請求項１に記載の帯域パラメトリック増幅器回路。

【請求項12】

コンピュータによって帯域パラメトリック増幅を行う方法であって、前記方法が、
複数のユニット・セルを設けることと、
前記ユニット・セルのうちの少なくとも１つについて、
中心導体に結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第１のインダクタを設けることと、
前記中心導体に結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第１のコンデンサを設けることと、
前記中心導体に結合された第１のノードを有する第２のインダクタを設けることと、
前記第２のインダクタの第２のノードに結合された第１のノードを有する第２のコンデンサを設けることであって、
前記第２のコンデンサおよび前記第２のインダクタが前記中心導体と直列である、前記設けることと、
前記中心導体に結合された第１のノードを有する第３のコンデンサを設けることと、
前記第３のコンデンサの第２のノードに結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第３のインダクタを設けることと、
前記第３のコンデンサの前記第２のノードに結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第４のコンデンサを設けることと
を含み、
前記複数のユニット・セルが、さらに帯域パラメトリック増幅器を生み出すラダー回路構造の部分であり、複数の数の前記ユニット・セルごとに共振構造を含み、前記複数の数のユニット・セルのそれぞれの中の前記共振構造が、ポンプ駆動と、前記帯域パラメトリック増幅器によって増幅された伝播する帯域内マイクロ波信号との間の位相整合を実現することと
を含む方法。

【請求項13】

前記第１および第２のインダクタが非線形である、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記ラダー回路構造内のユニット・セル数が奇数である、請求項１２に記載の方法。

【請求項15】

前記複数の数のユニット・セルで実現される前記共振構造によって利得曲線内の阻止帯域を定義することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に超伝導デバイスに関し、より詳細には、量子ビット読出しのために使用される増幅器に関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導量子コンピューティングは、超伝導電子回路での量子コンピュータの実装である。量子計算は、情報処理および通信のための量子現象の応用を研究する。量子計算の様々なモデルが存在し、最も一般的なモデルは、量子ビットおよび量子ゲートの概念を含む。量子ビットは、２つの可能な状態を有するビットの一般化であるが、両方の状態の量子重ね合せ（quantum superposition）の状態であり得る。量子ゲートは、論理ゲートの一般化であるが、量子ゲートは、量子ビットの初期状態を仮定して、ゲートが量子ビットに適用された後に１つまたは複数の量子ビットが受けることになる変換を記述する。

【0003】

量子ビットに関連する電磁エネルギーが、いわゆるジョセフソン接合内と、量子ビットを形成するために使用される容量性素子および誘導素子内に貯蔵され得る。一例として、量子ビット状態を読み出すために、空洞周波数で量子ビットに結合するマイクロ波読出し空洞（microwave readout cavity）にマイクロ波信号が印加される。送信（または反射）されたマイクロ波信号が、雑音を遮断または低減し、信号対雑音比を改善するために使用される複数の熱分離ステージおよび低雑音増幅器を通る。戻り／出力マイクロ波信号の振幅または位相あるいはその両方が、量子ビットがグランド状態にあるか、それとも励起状態にあるか、それとも２つの状態の重ね合せの状態にあるかなどの、量子ビット状態についての情報を搬送する。量子ビット状態についての量子情報を搬送するマイクロ波信号は通常は弱い（たとえば、数マイクロ波光子程度）。この弱い信号を測定するために、低雑音ジョセフソン増幅器が、量子信号をブーストし、出力チェーンの信号対雑音比を改善するために、量子システムの出力での前置増幅器（すなわち、第１の増幅ステージ）として使用され得る。ジョセフソン増幅器に加えて、ジョセフソン・サーキュレータ、ジョセフソン・アイソレータ、ジョセフソン・ミキサなどの、ジョセフソン増幅器またはジョセフソン・ミキサを使用するいくつかのジョセフソン・マイクロ波構成要素が、スケーラブル量子プロセッサで使用され得る。

【0004】

１つのタイプのジョセフソン増幅器は、分散素子ジョセフソン・ベース・パラメトリック増幅器（distributed-element Josephson-based parametric amplifier）であるジョセフソン進行波パラメトリック増幅器（ＪＴＷＰＡ）である。デバイスは非線型伝送線路によって形成され、その中心導体は、集中素子コンデンサで周期的にグランドに分流される（shunt）ジョセフソン接合の大規模アレイを備える。デバイスは共振構造ではないので、ＪＴＷＰＡでの増幅帯は通常は広い（たとえば、３から５ＧＨｚ）。そのような増幅範囲は、７ＧＨｚ周辺を中心とし得る量子ビット読出しには広過ぎることがある。既知のＪＴＷＰＡは、通過する、量子ビット・パルスなどの量子ビット読出し中の無関係の信号を増幅し得、それによって不安定性が生じ得る。さらに、既知のＪＴＷＰＡは、広帯域にわたって量子雑音を増幅する。さらに、既知のＪＴＷＰＡの広い増幅帯は、インピーダンス不整合に非常に敏感であり、インピーダンス不整合は、複数の反射を引き起こし、その利得曲線内のリップルを引き起こす。ＪＴＷＰＡの入力および出力ポートでのインピーダンス不整合の影響を最小限に抑えるために、磁気ベースのアイソレータなどの、５０オーム整合される広帯域デバイスが、しばしばＪＴＷＰＡの入力および出力に追加される。ＪＴＷＰＡの入力および出力でのこうした広帯域磁気ベースのデバイスの追加により、ＪＴＷＰＡと量子プロセッサの動作にとって顕著な他のマイクロ波デバイスとの間の積分可能性が限定される。こうした問題およびその他に関連して、本願は書かれた。

【発明の概要】

【0005】

様々な実施形態によれば、帯域パラメトリック増幅器回路および方法が提供される。帯域パラメトリック増幅器回路は複数のユニット・セルを含む。少なくとも１つのユニット・セルは、中心導体に結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第１のインダクタを含む。中心導体に結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第１のコンデンサがある。中心導体に結合された第１のノードを有する第２のインダクタがある。第２のコンデンサが、第２のインダクタの第２のノードに結合された第１のノードを有する。第２のコンデンサおよび第２のインダクタは中心導体と直列である。

【0006】

一実施形態では、第１および第２のインダクタは非線形である。

【0007】

一実施形態では、複数のユニット・セルは、帯域パラメトリック増幅器回路を生み出すラダー回路構造（ladder circuit structure）の部分である。ラダー回路構造内のユニット・セル数は奇数であり得る。複数の数のユニット・セルごとに、中心導体に結合された第１のノードを有する第３のコンデンサと、第３のコンデンサの第２のノードに結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第３のインダクタと、第３のコンデンサの第２のノードに結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第４のコンデンサとを含む共振構造をさらに含み得る。一実施形態では、複数の数は３から９である。

【0008】

一実施形態では、複数の数のユニット・セルのそれぞれの中の共振構造は、帯域パラメトリック増幅器の利得曲線内の阻止帯域を定義する。

【0009】

一実施形態では、複数の数のユニット・セルのそれぞれの中の共振構造は、ポンプ駆動と、帯域パラメトリック増幅器によって増幅された伝播する帯域内マイクロ波信号（in-band microwave signal）との間の位相整合を実現する。

【0010】

一実施形態では、中心導体に結合された第１のノードを有する第３のコンデンサがある。第３のコンデンサの第２のノードに結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第３のインダクタがある。第３のコンデンサの第２のノードに結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第４のコンデンサがある。

【0011】

一実施形態では、帯域フィルタの特性インピーダンスが５０オーム超である。

【0012】

一実施形態では、帯域パラメトリック増幅器はサーキュレータ回路の部分である。

【0013】

一実施形態では、第１および第２のインダクタのそれぞれは、ジョセフソン接合のアレイを備える。

【0014】

一実施形態では、各ジョセフソン接合はアルミニウム（Ａｌ）またはニオビウム（Ｎｂ）超伝導電極を備える。

【0015】

一実施形態では、第１および第２のコンデンサのそれぞれが、低損失誘電体基板上でコプレーナ導波路幾何形状（coplanar waveguide geometry）で構築される。

【0016】

一実施形態では、帯域パラメトリック増幅器内の集中素子コンデンサは、低損失誘電体材料を使用する平板コンデンサである。

【0017】

一実施形態では、帯域パラメトリック増幅器は方向性増幅器（directional amplifier）である。

【0018】

一実施形態によれば、ジョセフソン・ベース方向性パラメトリック増幅器が、伝送線路に沿って配置された複数の非線型分散帯域フィルタと、ポンプ駆動のための周期的共振構造装荷（periodic resonant structure loading）を実装する線形素子とを含む。

【0019】

一実施形態では、各非線型分散帯域フィルタは、中心導体に結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第１のインダクタを含む。中心導体に結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第１のコンデンサがある。中心導体に結合された第１のノードを有する第２のコンデンサがある。第２のコンデンサの第２のノードに結合された第１のノードを有する第２のインダクタがある。第２のコンデンサおよび第２のインダクタは中心導体と直列である。

【0020】

一実施形態では、各周期的共振構造は、中心導体に結合された第１のノードを有する第３のコンデンサと、第３のコンデンサの第２のノードに結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第３のインダクタとを含む。第３のコンデンサの第２のノードに結合された第１のノードと、グランドに結合された第２のノードとを有する第４のコンデンサがある。

【0021】

一実施形態では、集中素子帯域フィルタの非線型ユニット・セルの３から９個ごとに、周期的共振構造が追加される。

【0022】

これらおよび他の特徴が、添付の図面と共に読まれるべきである、その例示的実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。

【0023】

図面は例示的実施形態のものである。図面はすべての実施形態を示すわけではない。追加または代替として、他の実施形態が使用され得る。明らかであり、または不要であり得る詳細は、スペースを節約するために、またはより効果的な図示のために省略され得る。いくつかの実施形態は、追加の構成要素もしくはステップと共に、および／または図示されるすべての構成要素もしくはステップを用いずに実施され得る。同一の番号が異なる図面で現れるとき、同一の番号は、同一または同様の構成要素またはステップを指す。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】既知のＪＴＷＰＡ回路を示す図である。

【図2】例示的実施形態に適合する、帯域ジョセフソン進行波パラメトリック増幅器システムのブロック図である。

【図3】例示的実施形態に適合する、図２の帯域ジョセフソン・ベース方向性パラメトリック増幅器ブロックを実装するために使用される非線型分散フィルタリング媒体（nonlinear dispersive filtering medium）の例示的回路を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

概要
以下の詳細な説明では、関連する教示の完全な理解を与えるために、多数の特定の詳細が例として述べられる。しかしながら、本教示がそのような詳細なしに実施されることは明らかなはずである。他の例では、本教示の態様を不必要に曖昧にすることを避けるため、周知の方法、手順、構成要素、または回路、あるいはその組合せが、比較的高いレベルで詳細なしに説明されている。

【0026】

本開示は一般には超伝導デバイスに関し、より詳細には、効率的な量子ビットの複数の読出しに関する。量子ビットに関連する電磁エネルギーが、いわゆるジョセフソン接合内と、量子ビットを形成するために使用される容量性および誘導性素子内に貯蔵され得る。一例として、量子ビット状態を読み出すために、空洞周波数で量子ビットに結合するマイクロ波読出し空洞にマイクロ波信号が印加される。送信（または反射）されたマイクロ波信号が、雑音を遮断または低減し、信号対雑音比を改善するために使用される複数の熱分離ステージおよび低雑音増幅器を通る。戻り／出力マイクロ波信号の振幅または位相あるいはその両方が、量子ビットがグランド状態にあるか、それとも励起状態にあるか、それとも２つの状態の重ね合せの状態にあるかなどの、量子ビット状態についての情報を搬送する。量子ビット状態についての量子情報を搬送するマイクロ波信号は通常は弱い（たとえば、数マイクロ波光子程度）。

【0027】

量子ビット状態の読出しは通常、分散素子ジョセフソン・ベース・パラメトリック増幅器であるＪＴＷＰＡによって促進される。デバイスは非線型伝送線路によって形成され、その中心導体は、集中素子コンデンサで周期的にグランドに分流されるジョセフソン接合のアレイを備える。その周波数が所望の増幅帯域の中心近くにあり、その伝播方向が、入力弱マイクロ波信号の伝播方向と一致する、ポンプと呼ばれることがある強いマイクロ波駆動を注入することによって、デバイス内を進む弱マイクロ波信号の方向性増幅が達成される。

【0028】

非線型カー媒体（nonlinear Kerr medium）（すなわち、ジョセフソン接合アレイ）を強いコヒーレント・マイクロ波駆動でポンピングすることによって４波混合プロセスが引き起こされ、その結果、伝播する弱マイクロ波信号のパラメトリック増幅が得られる。言い換えれば、分散非線型媒体は、伝播する強い駆動とのコヒーレント・エネルギー交換を介して弱マイクロ波信号の増幅を可能にする。

【0029】

ポンプ駆動と、分散非線型媒体内を伝播する離調弱マイクロ波信号との位相整合を保証するために、中心導体が、ポンプ周波数付近で共振する共振構造によって数ユニット・セルごとに容量性装荷される。この共振装荷は構造内にバンドギャップを生み出し、それによって位相整合が促進される。

【0030】

図１は既知のＪＴＷＰＡ回路１００を示す。ＪＴＷＰＡ回路は、入力１１０と出力１１２との間に結合された非線型集中素子伝送線路１０２として実装される。ＪＴＷＰＡのユニット・セル１２０は、臨界電流Ｉ_０および真性キャパシタンスＣ_Ｊを含み、グランドＣへの容量性分流を有するジョセフソン接合を含む。たとえば、ジョセフソン接合とグランドＣへの分路コンデンサとを含む３つごとのユニット・セルは、キャパシタンスＣ_ｒおよびインダクタンスＬ_ｔで指定され、結合コンデンサＣ_ｃによって設定される結合強度を有する集中素子共振器をも含む。

【0031】

図１のＪＴＷＰＡ１０２は、著しい挿入損を受け得る（たとえば、４ｄＢ以上）。この損失は主に、デバイスの部分である平板コンデンサの誘電体損失から生じる。前述のように、進行波増幅器の分散する性質と、弱い信号についての共振構造の欠如のために、ＪＴＷＰＡ１０２の増幅帯域幅は広くなり得る（たとえば、３から５ＧＨｚ）。したがって、広い増幅帯域幅のために、ＪＴＷＰＡ１０２は、望ましくない帯域内、たとえば量子ビット周波数の量子雑音を増幅する。全体の帯域内の増幅された雑音の一部は、出力線でのインピーダンス不整合のために量子システムに再び伝播し得る。

【0032】

ＪＴＷＰＡ１０２の別の欠点は、ＪＴＷＰＡ１０２内部、または入力ポート１１０もしくは出力ポート１１２での小さいインピーダンス不整合が複数の反射を引き起こし得、その結果、ＪＴＷＰＡ１０２の利得曲線内のリップルが生じる。さらに、広い帯域幅のために、増幅器と５０オーム入力および出力回路との間のインピーダンス整合により、入力１１０および出力１１２での広帯域極低温アイソレータ（たとえば、４から１２ＧＨｚ）を使用することが必要となる。広帯域にわたって明確な５０オーム環境を提供すると共に、こうしたアイソレータは、ＪＴＷＰＡまたは高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）から戻る雑音から量子システムを保護することに留意されたい。しかしながら、こうしたアイソレータは通常、かさばり、費用がかかり、損失が多く、強い磁場を使用し、強い磁場はＪＴＷＰＡ動作に悪影響を及ぼし得る。さらに、こうしたアイソレータは、チップ上で一体化することが難しく、それによってスケーラビリティが妨げられる。

【0033】

したがって、一態様では、本明細書での教示は、量子ビット読出し周波数（たとえば、７ＧＨｚ）に近い周波数周辺を中心とする中範囲帯域幅（medium-range bandwidth）（たとえば、５００ＭＨｚ～２０００ＭＨｚ）を有するジョセフソン・ベース方向性パラメトリック増幅器を提供する。上記で論じた非線型伝送線路の代わりに、非線型分散帯域フィルタ・アーキテクチャが実現される。帯域の中心で共振する線形共振器が、非線型分散帯域フィルタ内に容量性装荷される。こうした共振器が数ユニット・セル（たとえば、３から９）ごとに一体化され、ポンプ駆動と伝播する帯域内弱マイクロ波信号（in-band weak microwave signal）との間の位相整合が保証される。

【0034】

一実施形態では、帯域フィルタの挿入損（これは平板コンデンサの誘電体損失のためである）を低減するために、本明細書での教示は２つの方策を採用する。第１に、帯域フィルタが、５０オーム超（たとえば、８０オーム）の比較的高い特性インピーダンスを有するように構成される。そのような特性インピーダンスの増加により、一般には、増幅器デバイス内のキャパシタンスが減少する。フィルタの特性インピーダンスと入力および出力５０オーム環境との間の適切なインピーダンス整合を保証するために、インピーダンス整合回路網がデバイスの入力および出力に追加される（たとえば、断熱テーパー伝送線路（adiabatically tapered transmission line））。

【0035】

第２に、位相整合のために増幅器デバイスに組み込まれる線形共振回路の部分である集中素子キャパシタンスが、高い、すなわち５０オームより大きい特性インピーダンスを有する並列ＬＣ回路を実現することによって低減される（たとえば、線形共振回路の同一の共振周波数を維持しながら、大きいインダクタンスおよびより小さい分路キャパシタンスを使用して、５０オームより高い特性インピーダンスを生み出す）。一例として、そのような高いインダクタンスは、大きい力学インダクタンスを有する、薄くて狭い超伝導体層を使用して達成され得る。

【0036】

本明細書で論じられる帯域パラメトリック増幅器により、方向性増幅器は、非常に小さい追加の雑音を有する弱マイクロ波信号を増幅し得る（すなわち、量子限界付近で動作する）。さらに、方向性増幅器は、量子ビットの高速で高忠実度の量子非破壊（ＱＮＤ）測定を実施するために使用され得る。中範囲帯域幅を有するそのような準量子限界方向性増幅器（near-quantum limited directional amplifier）は様々な利点をもたらす。たとえば、そのような準量子限界方向性増幅器は、広帯域にわたって整合する入力および出力ポート上の５０オーム整合環境を有するという要件を大幅に緩和する。厳しい整合環境からのそのような融通性により、帯域パラメトリック増幅器が、サーキュレータ、アイソレータ、受動フィルタなどの、同様の中範囲帯域幅を有するマイクロ波デバイスと適合することが可能となる。さらに、分散結合量子ビットの読出し信号を増幅するとき、帯域パラメトリック増幅器の中範囲帯域幅により、量子ビット読出し信号のみが増幅され、量子ビット信号は増幅されないことが保証される。そのような焦点式の読出し（focused readout）により、（小さいインピーダンス不整合による）量子ビットに対する望ましくないバックアクションが低減され、帯域外の量子ビット・パルスが拒否されるので、デバイスの安定性が向上する。さらに、帯域パラメトリック増幅器の（従来のＪＴＷＰＡと比べて）狭い帯域幅により、利得曲線内のリップルが低減され、デバイス動作のために必要とされるポンプ電力が削減され得る。

【0037】

例示的ブロック図
図２は、例示的実施形態に適合する、帯域ジョセフソン進行波パラメトリック増幅器システム２００のブロック図である。システム２００は、外部伝送線路２０２と２１０の間に結合された非線型分散フィルタリング媒体（ＮＤＦＭ）２０６を含む。たとえば、第１の外部伝送線路２０２は入力であり得、第２の外部伝送線路２１０は出力であり得る。外部伝送線路２０２および２１０はそれぞれ特性インピーダンスＺ_０を有し得、Ｚ_０は５０オームであり得る。様々な実施形態では、図２で中間ステージ２０４および２０８によって表される、外部伝送線路２０２および２１０の間で少なくとも１つの中間ステージがあり得る。一実施形態では、中間ステージは、Ｚ_１とＺ_０の間のインピーダンス変換器である。たとえば、帯域ジョセフソン進行波パラメトリック増幅器の中心にある非線型分散フィルタリング媒体の特性インピーダンスが（外部ポートの）Ｚ_０とは異なるＺ_１である場合、こうした中間インピーダンス整合回路網／回路は有用である。

【0038】

ＮＤＦＭの例示的回路実装
次に図３を参照すると、図３は、例示的実施形態に適合する、図２のＮＤＦＭ２６０ブロックを実装するために使用される非線型分散フィルタリング媒体（ＮＤＦＭ）３００の一例を示す。ＮＤＦＭ３００は、集中素子コンデンサおよびインダクタのラダーを備える分散素子方向性増幅器である。ＮＤＦＭ３００は、伝送線路に沿って配置された分散非線型帯域フィルタを含む。ポンプ駆動のための周期的共振構造装荷を実装するいくつかの線形素子がある。周期的共振構造の一例が、コンデンサＣ_ｃ３２０、インダクタＬ_ｒ３２２、およびコンデンサＣ_ｒ３２４を備える線形素子によるユニット・セル３０２に示されている。一実施形態では、周期的共振構造が、非線型フィルタ素子の３から９個ごとに追加され、増幅器の分散特徴と呼ばれることがある、ＮＤＦＭ３００の利得曲線内の狭い阻止帯域を定義する。

【0039】

一実施形態では、ＮＤＦＭ３００のユニット・セル３０２は、中心導体３３０に結合された第１のノードと、（たとえば、ＮＤＦＭ３００の構造の外側部分の）グランド３４０に結合された第２のノードとを有する第１のインダクタ３０４を含む。第１のインダクタ３０４に並列の第１のコンデンサ３０６がある。言い換えれば、第１のコンデンサ３０６は、中心導体３３０に結合された第１のノードと、グランド３４０に結合された第２のノードとを有する。中心導体３３０に結合された第１のノードを有する第２のコンデンサ３０８がある。第２のコンデンサ３０８の第２のノードに結合された第１のノードを有する第２のインダクタ３１０があり、第２のコンデンサおよび第２のインダクタは中心導体３３０と直列である。一連のユニット・セル３０２によってラダー回路が得られ、ＮＤＦＭ３００が生み出される。

【0040】

一実施形態では、ＮＤＦＭ３００のユニット・セル３０２は、中心導体３３０に結合された第１のノードを有する第３のコンデンサ３２０を備える周期的共振構造をさらに含む。第３のコンデンサ３２０の第２のノードに結合された第１のノードと、グランド３４０に結合された第２のノードとを有する第３のインダクタ３２２がある。第３のコンデンサ３２０の第２のノードに結合された第１のノードと、グランド３４０に結合された第２のノードとを有する第４のコンデンサ３２４がある。前述のように、一実施形態では、非線型フィルタ素子の３から９個ごとに共振構造が反復される。

【0041】

いくつかの実施形態では、第１のインダクタ３０４および第２のインダクタ３１０の少なくとも一方は、インダクタを通る矢印で示されるように非線形である。たとえば、インダクタ３０４および３１０はジョセフソン接合のアレイを含み得る。本明細書では帯域フィルタ次数（bandpass filter order）Ｎと呼ばれることがある、ユニット・セル３０２の数は奇数である（たとえば、１０１から１００１）。フィルタ次数Ｎは、その２つの外部ポートに関してデバイスを対称に保つために奇数である。

【0042】

挿入損方法を使用してＮＤＦＭ３００のフィルタリング特性が指定され得る。様々な実施形態では、ＮＤＦＭ３００の各ユニット・セル３０２は、最平坦（たとえば、バターワース応答）または等リップル（チェビシェフ多項式）に従って設計され得る。ＮＤＦＭ３００の比帯域幅は、以下の式１によって与えられる。

【0043】

【数1】

上式で
ω_０は帯域フィルタリング媒体の中心角周波数であり、
ω_１は帯域フィルタリング媒体の下側角度遮断周波数であり、
ω_２は帯域フィルタリング媒体の上側角度遮断周波数であり、ω_２＞ω_０＞ω_１である。

【0044】

一実施形態では、帯域パラメトリック増幅器３００の中心周波数（たとえば、遮断角周波数ω_２およびω_１の相乗平均）が、以下の式２によって与えられる。

【0045】

【数2】

【0046】

ＮＤＦＭ３００の次数および選ばれたリップルの大きさ（すなわち、後者は等リップル・フィルタ構成に関連する）に応じて、正規化ソース・インピーダンスおよび正規化遮断周波数に対応する適切な素子値が、フィルタを設計するための既知の挿入損方法を使用して計算され得る。

【0047】

（文献中の）計算値または表形式の値ｇ_ｉ、フィルタリング媒体の特性インピーダンスＺ_１、中心角周波数ω_０、および所望の比帯域幅Δを使用して、以下の式を用いて集中素子インダクタおよびコンデンサの値を計算し得る。

【0048】

直列素子について、

【0049】

【数3】

【0050】

【数4】

【0051】

並列素子について、

【0052】

【数5】

【0053】

【数6】

【0054】

ジョセフソン接合（ＪＪ）の線形インダクタンスが、以下の式７によって与えられる。

【0055】

【数7】

【0056】

【数8】

Φ_０＝ｈ／（２ｅ） （式９）
上式で
Ｉ_０はジョセフソン接合の臨界電流であり、
φ_０は換算磁束量子（reduced flux quantum）であり、
ｈはプランク定数であり、
ｅは電子電荷の大きさである。

【0057】

一実施形態では、無損失非線型インダクタンス

【数9】

と

【数10】

（３１０および３０４）の両方が、ＪＪのアレイを使用して実装され、それぞれは線形インダクタンスＬ_Ｊ０を有する。容量性素子

【数11】

および

【数12】

（３０８および３０６）が、アモルファス・シリコン、結晶シリコン、窒化シリコンなどの低損失誘電体材料を有する超伝導平板コンデンサを使用して実装される。ＮＤＦＭ３００は、低損失誘電体基板上でコプレーナ導波路幾何形状で実装され得る。基板は高抵抗率シリコンまたはサファイアであり得る。

【0058】

様々な実施形態では、ＪＪはアルミニウム（Ａｌ）またはニオビウム（Ｎｂ）を含み得る。線形インダクタＬ_ｒ（たとえば、３２２）は薄型高力学インダクタであり得る。各ユニット・セル３０２の第２のコンデンサ３２０（Ｃ_ｃ）または第３のコンデンサ３２４（Ｃ_ｒ）あるいはその両方は、低損失誘電体材料を有する超伝導平板コンデンサであり得る。各ユニット・セル３０２の線形インダクタ３２２Ｌ_ｒ、第２のコンデンサ３２０（Ｃ_ｃ）、および第３のコンデンサ３２４（Ｃ_ｒ）は、集合的にポンプ駆動のための周期的共振構造装荷を実装する。一実施形態では、こうした素子が、３から９個のフィルタ素子ごとに追加される。こうした素子は、増幅器の分散特徴とも知られる、利得曲線内の阻止帯域を定義する。ＮＤＦＭ３００の中心周波数は、以下の式１０によって与えられる。

【0059】

【数13】

【0060】

結論
本教示の様々な実施形態の説明が例示のために提示されたが、説明は網羅的なものではなく、開示される実施形態に限定されないものとする。記載の実施形態の範囲および思想から逸脱することなく、多くの修正および変形が当業者には明らかであろう。本明細書で用いられる用語は、実施形態の原理、実際の応用、または市場で見出される技術に勝る技術的改良を最良に説明するように、または当業者が本明細書で開示される実施形態を理解することを可能にするように選ばれた。

【0061】

最良の状態または他の例あるいはその両方であると考えられるものを上記で説明したが、様々な修正がその中で行われ得ること、本明細書で開示される主題が様々な形態および例で実装され得ること、ならびに教示が多数の応用で適用され、そのうちの一部だけが本明細書で説明されたことを理解されたい。以下の特許請求の範囲により、本教示の真の範囲内に包含される、ありとあらゆる応用、修正、および変形を特許請求することが意図される。

【0062】

本明細書で論じられた構成要素、ステップ、特徴、目的、恩恵、利点は例示的なものに過ぎない。それらのいずれも、それらに関する議論も、保護の範囲を限定しないものとする。本明細書で様々な利点が論じられたが、すべての実施形態が必ずしもすべての利点を含むわけではないことを理解されよう。別段の記載がない限り、以下の特許請求の範囲を含む、本明細書で説明されるすべての測定、値、定格、位置、大きさ、サイズ、および他の仕様はおおよそのものであり、厳密なものではない。それらは、それが関係する機能に適合し、それが関係する当技術分野での慣習であるものに適合する、妥当な範囲を有するものとする。

【0063】

多数の他の実施形態も企図される。これらは、より少ない、追加の、または異なる構成要素、ステップ、特徴、目的、恩恵、および利点、あるいはその組合せを有する実施形態を含む。これらはまた、構成要素またはステップあるいはその両方が別様に配置され、または順序付けされ、あるいはその両方である実施形態をも含む。たとえば、本明細書で論じられる任意の信号が、基礎となる制御方法を著しく変更することなく、スケーリングされ、バッファリングされ、スケーリングおよびバッファリングされ、別の状態（たとえば、電圧、電流、荷電、時間など）に変換され、または別の状態（たとえば、ＨＩＧＨからＬＯＷ、ＬＯＷからＨＩＧＨ）に変換され得る。

【0064】

上記では例示的実施形態と共に説明されたが、「例示的」という用語は、最良または最適としてではなく、一例として意味するに過ぎないことを理解されたい。直前で述べたことを除いて、説明または図示されたものが、特許請求の範囲に記載されるか否かの如何に関わらず、何らかの構成要素、ステップ、特徴、目的、恩恵、利点、または均等物の公衆への公開を引き起こすことは意図されず、そのように解釈されるべきではない。

【0065】

本明細書で使用される用語および表現は、別段に特定の意味が本明細書で説明されている場合を除いて、調査および研究の対応するそれぞれの領域に関してそのような用語および表現に与えられるような通常の意味を有することを理解されよう。第１および第２などの関係を示す用語は、単にある実体または動作を別のものと区別するために使用され、そのような実態または動作の間の何らかの実際のそのような関係または順序を必ずしも必要とし、または示唆するわけではない。「備える」、「含む」（"comprises", "comprising"）という用語、またはその任意の他の変形は、非排他的包含を含むものとし、したがって、要素のリストを含むプロセス、方法、物品、または装置が、そうした要素のみを含むのではなく、明白に列挙されていない他の要素、またはそのようなプロセス、方法、物品、装置に固有の他の要素を含み得る。「ａ」または「ａｎ」で始まる要素は、さらなる制約なしに、要素を含むプロセス、方法、物品、または装置内の追加の同一の要素の存在を除外しない。

【0066】

読者が技術的開示の性質を迅速に確認することを可能にするように本開示の要約が与えられる。要約は、特許請求の範囲または意味を解釈または限定するために使用されることはないという理解と共に提出される。さらに、上記の詳細な説明では、本開示を簡素化するために、様々な実施形態で様々な特徴が互いにグループ化されることを理解することができる。この開示の方法は、特許請求される実施形態が各請求項に明白に記載されているものよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映すると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、本発明の主題は、単一の開示される実施形態のすべての特徴未満にある。したがって、以下の特許請求の範囲が本明細書によって詳細な説明に組み込まれ、各請求項は、別々に特許請求される主題としてそれ自体で有効である。

【図1】

【図2】

【図3】