特許 7609533 マイクロ波信号のパルス整形のための磁束バイアス

(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】2024-12-23

(45)【発行日】2025-01-07

(54)【発明の名称】マイクロ波信号のパルス整形のための磁束バイアス

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/10 20230101AFI20241224BHJP

   H10N 60/00 20230101ALI20241224BHJP

【ＦＩ】

H10N60/10 K ZAA

H10N60/00 G

【請求項の数】 25

(21)【出願番号】P 2022547095

(86)(22)【出願日】2021-03-04

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-04-26

(86)【国際出願番号】 EP2021055527

(87)【国際公開番号】W WO2021185595

(87)【国際公開日】2021-09-23

【審査請求日】2023-08-10

(31)【優先権主張番号】16/819,234

(32)【優先日】2020-03-16

(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】脇水 佳弘

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００８５２３１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１０４６１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０２０－５０４４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３７３３６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１５６２３８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ６０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

方法であって、
混合デバイスによって、複数の入力ポートを介して入力信号および磁束が経時的に変化する時間変動磁束を受信することと、
前記混合デバイスによって、前記入力信号および前記時間変動磁束を用いて、出力ポート上に出力信号を生成することであって、前記出力信号が、前記入力信号から周波数変換を経て得られる信号が前記時間変動磁束によって整形された波形プロファイルを有する、前記生成することと、
を含む、方法。

【請求項2】

前記方法は、
前記混合デバイスによって、マイクロ波周波数のポンプ信号を受信すること
をさらに含み、前記入力信号が、前記ポンプ信号とは異なるマイクロ波周波数の信号を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記時間変動磁束が、時間の関数として変調される大きさを有するパルス信号である、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記入力信号が、時間に対して固定された振幅、周波数、および位相を有する連続波信号である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記混合デバイスが、非縮退混合デバイスであり、ジョセフソン・リング変調器を含む、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記出力信号の前記波形プロファイルが、前記時間変動磁束に応じた前記混合デバイスのジョセフソン・リング変調器に少なくとも一部基づいて生成される、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

方法であって、
回路によって、複数の入力ポートを介して入力信号および磁束が経時的に変化する時間変動磁束を受信することであって、前記回路が、前記入力信号が入力される第１の混合デバイスと、前記第１の混合デバイスに結合された第２の混合デバイスとを含む、前記受信することと、
前記回路によって、前記入力信号および前記時間変動磁束を用いて、前記第２の混合デバイスに接続された出力ポート上に出力信号を生成することであって、前記出力信号が、前記入力信号から周波数変換を経て得られる信号が前記時間変動磁束によって整形された波形プロファイルを有する、前記生成することと
を含む、方法。

【請求項8】

前記時間変動磁束が、時間の関数として変調される大きさを有するパルス信号である、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスのうちの１つが、前記時間変動磁束を受信し、前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスのうちのもう１つが、固定磁束を受信する、請求項７または８に記載の方法。

【請求項10】

前記第１の混合デバイスが、前記入力信号のマイクロ波信号およびポンプ信号のマイクロ波信号を用いて、第１の周波数変換により前記第２の混合デバイスに中間マイクロ波信号を提供するように構成される、請求項７ないし９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記第２の混合デバイスが、中間信号を前記第１の混合デバイスから受信するように構成され、前記第２の混合デバイスが、第２の周波数変換により前記中間信号を入力として用いて前記出力信号を生成するように構成される、請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

回路を構成する方法であって、
混合デバイスを磁気源に結合することであって、第１の入力ポートを介して磁束が経時的に変化する時間変動磁束を前記磁気源から受信するように構成される、前記結合することと、
第２の入力ポートを介して入力信号を受けて、出力ポート上に出力信号を生成するように前記混合デバイスを構成することであって、前記出力信号が、前記入力信号から周波数変換を経て得られる信号が前記時間変動磁束によって整形された波形プロファイルを有する、前記構成することと、
を含む、方法。

【請求項13】

前記時間変動磁束が、時間の関数として変調される大きさを有するパルス信号である、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記出力信号の前記波形プロファイルが、前記時間変動磁束に応じるように構成された前記混合デバイスのジョセフソン・リング変調器に少なくとも一部基づいて生成される、請求項１２または１３に記載の方法。

【請求項15】

前記混合デバイスが、共振器に結合されたジョセフソン・リング変調器を含む、請求項１２ないし１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

前記混合デバイスが、連続入力マイクロ波信号を選択された波形プロファイルを有するパルス型出力マイクロ波信号に変換するように構成される、請求項１２ないし１５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項17】

回路を構成する方法であって、
前記回路内で第１の混合デバイスおよび第２の混合デバイスを結合することであって、前記第１の混合デバイスが、第１の入力ポートを介して固定磁束を受信するために第１の磁気源に結合され、第２の入力ポートを介して入力信号を受信するように構成され、前記第２の混合デバイスが、第３の入力ポートを介して磁束が経時的に変化する時間変動磁束を受信するために第２の磁気源に結合される、前記結合することと、
出力ポート上に出力信号を生成するように前記回路を構成することであって、前記出力信号が、前記入力信号から周波数変換を経て得られる信号が前記時間変動磁束によって整形された波形プロファイルを有する、前記構成することと、
を含む、方法。

【請求項18】

前記時間変動磁束が、時間の関数として変調される大きさを有するパルス信号である、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記固定磁束が、経時的に一定のままである大きさを含む、請求項１７または１８に記載の方法。

【請求項20】

前記第１の混合デバイスが、前記入力信号およびポンプ信号を用いて、第１の周波数変換により前記第２の混合デバイスに中間信号を提供するように構成される、請求項１７ないし１９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項21】

前記第２の混合デバイスが、中間信号を前記第１の混合デバイスから受信するように構成され、前記第２の混合デバイスが、第２の周波数変換により前記中間信号を入力として用いて前記出力信号を生成するように構成される、請求項１７ないし２０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項22】

システムであって、
回路と、
前記回路の第１の部分に結合され、第１の入力ポートを介して前記第１の部分に固定磁束を提供するように構成される、第１の磁気源と、
前記回路の第２の部分に結合され、第２の入力ポートを介して前記第２の部分に磁束が経時的に変化する時間変動磁束を提供するように構成される、第２の磁気源と
を備え、前記回路が、第３の入力ポートを介して入力信号を受信し、出力ポート上に出力信号を生成するように構成され、前記出力信号が、前記入力信号から周波数変換を経て得られる信号が前記時間変動磁束によって整形された波形プロファイルを有する、前記第２の磁気源と、
を備える、システム。

【請求項23】

前記第１の部分が、第１の混合デバイスを含み、前記第２の部分が、第２の混合デバイスを含み、前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが、非縮退混合デバイスである、請求項２２に記載のシステム。

【請求項24】

前記第１の部分が、前記固定磁束と相互作用するように構成されるジョセフソン・リング変調器を含み、前記第２の部分が、前記時間変動磁束と相互作用するように構成される別のジョセフソン・リング変調器を含む、請求項２２または２３に記載のシステム。

【請求項25】

前記第１の部分が、第１の周波数変換により中間信号を前記第２の部分に出力するように構成され、
前記第２の部分が、第２の周波数変換により前記中間信号を入力として使用して前記出力信号を生成するように構成される、請求項２２ないし２４のいずれか一項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、超伝導デバイスのための方法および構造に関し、より詳細には、マイクロ波信号のパルス整形（pulse shaping）に磁束バイアスを使用することに関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導デバイスの特徴は、それらが十分低い温度で電気抵抗ゼロをもたらし得ることである。超伝導デバイスを動作に適した温度まで冷却するために、希釈冷凍機（dilution refrigerator）または低温デバイスが採用され得る。既知の構成では、室温での様々な入力および出力マイクロ波線路が、希釈冷凍機の内部でより低温に維持されている超伝導デバイスにマイクロ波信号を提供するために、希釈冷凍機に接続される。

【発明の概要】

【0003】

本発明の実施形態は、マイクロ波信号のパルス整形のために磁束バイアスを用いることを目的とする。方法の非限定的な実施例は、非縮退混合デバイス（nondegenerate mixing device）によって、入力ポートを介して信号および時間変動磁束（time-varying magnetic flux）を受信することを含む。方法は、非縮退混合デバイスによって、信号および時間変動磁束を用いて、出力ポート上に出力信号を生成することであって、出力信号が、時間変動磁束によって設定される波形プロファイルを有する、生成することを含む。

【0004】

方法の非限定的な実施例は、回路によって、入力ポートを介して信号および時間変動磁束を受信することであって、回路が、第２の非縮退混合デバイスに結合された第１の非縮退混合デバイスを含む、受信することを含む。方法は、回路によって、信号および時間変動磁束を用いて、出力ポート上に出力信号を生成することであって、出力信号が、時間変動磁束によって設定される波形プロファイルを有する、生成することを含む。

【0005】

回路を構成する方法の非限定的な実施例は、非縮退混合デバイスを磁気源（magnetic source）に結合することであって、非縮退混合デバイスが、入力ポートを介して時間変動磁束を磁気源から受信するように構成される、結合することを含む。方法は、出力ポート上に出力信号を生成するように非縮退混合デバイスを構成することであって、出力信号が、時間変動磁束によって設定される波形プロファイルを有する、構成することを含む。

【0006】

回路を構成する方法の非限定的な実施例は、回路内で第１の非縮退混合デバイスおよび第２の非縮退混合デバイスを結合することであって、第１の非縮退混合デバイスが、入力ポートを介して固定磁束（fixed magnetic flux）を受信するために第１の磁気源に結合され、第２の非縮退混合デバイスが、別の入力ポートを介して時間変動磁束を受信するために第２の磁気源に結合される、結合することを含む。方法は、出力ポート上に出力信号を生成するように回路を構成することであって、出力信号が、時間変動磁束によって設定される波形プロファイルを有する、構成することを含む。

【0007】

システムの非限定的な実施例は、回路の第１の部分に結合され、かつ入力ポートを介して第１の部分に固定磁束を提供するように構成される、第１の磁気源を含む。システムは、回路の第２の部分に結合され、かつ別の入力ポートを介して第２の部分に時間変動磁束を提供するように構成される、第２の磁気源であって、回路が、出力ポート上に出力信号を生成するように構成され、出力信号が、時間変動磁束によって設定される波形プロファイルを有する、第２の磁気源を含む。

【0008】

追加の技術的特徴および利益が、本発明の技術を通して実現される。本発明の実施形態および態様は、本明細書において詳細に記載され、特許請求される主題の一部と考えられる。より良く理解するために、詳細な説明および図面を参照する。

【0009】

本明細書で記載される排他的権利の詳細は、明細書の末尾における特許請求の範囲において詳細に示され、明確に請求される。本発明の実施形態の、前述のおよびその他の特徴および利点は、添付図面と併せて行われる以下の詳細な説明から明らかである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の１つまたは複数の実施形態による、回路の概略図である。

【図2】本発明の１つまたは複数の実施形態による、回路のブロック図である。

【図3】本発明の１つまたは複数の実施形態による、回路のブロック図である。

【図4】本発明の１つまたは複数の実施形態による、回路の概略図である。

【図5】本発明の１つまたは複数の実施形態による、ブロック図である。

【図6】本発明の１つまたは複数の実施形態による、ブロック図である。

【図7】本発明の１つまたは複数の実施形態による、システムのブロック図である。

【図8】本発明の１つまたは複数の実施形態による、システムのブロック図である。

【図9】本発明の１つまたは複数の実施形態による、周波数変換における非縮退３波混合（three-wavemixing）デバイスについての信号フロー図である。

【図10A】本発明の１つまたは複数の実施形態による、差動モードにおける非縮退３波混合デバイスを示す図である。

【図10B】本発明の１つまたは複数の実施形態による、差動モードにおける非縮退３波混合デバイスを示す図である。

【図10C】本発明の１つまたは複数の実施形態による、共通モードにおける非縮退３波混合デバイスを示す図である。

【図11】本発明の１つまたは複数の実施形態による、パルス整形のための方法のフロー・チャートである。

【図12】本発明の１つまたは複数の実施形態による、パルス整形のための方法のフロー・チャートである。

【図13】本発明の１つまたは複数の実施形態による、回路を構成する方法のフロー・チャートである。

【図14】本発明の１つまたは複数の実施形態による、回路を構成する方法のフロー・チャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本明細書で示される図は、例示である。本発明の思想から逸脱することなく、図またはそこに記載される動作に対して多くの変形が存在し得る。例えば、アクションは、異なる順序で実行されてもよく、またはアクションが、追加され、削除され、もしくは修正されてもよい。また、「結合される」という用語およびその変形は、２つの要素間に通信経路を有することを述べ、それらの間に介在する要素／接続を有しない要素間の直接接続を意味しない。これらの変形の全てが、明細書の一部と考えられる。

【0012】

本発明の実施形態の添付図面および以下の詳細な説明において、図面に示される多様な要素には、２桁または３桁の参照番号が与えられている。わずかな例外を除いて、各参照番号の左端の桁は、その要素が最初に示される図面に対応する。

【0013】

本発明の１つまたは複数の実施形態は、冷却システムの内部で連続波マイクロ波信号のパルス整形を実行する技術およびデバイスを提供する。本発明のいくつかの実施形態では、冷却システムは、希釈冷凍機を含む。本発明の１つまたは複数の実施形態は、量子デバイスの近傍でマイクロ波信号のパルス整形を実行する。本発明のいくつかの実施形態では、パルス整形するマイクロ波信号の近傍にある量子プロセッサは、冷却システムの内部にある。室温の電子部品を用いてマイクロ波信号を生成すること、およびマイクロ波線路を通してこれらの信号を超伝導デバイスに伝送することによって、様々な劣化問題がもたらされ得るため、本発明の１つまたは複数の実施形態は、マイクロ波信号のパルス整形が１つまたは複数の量子デバイスの近傍の冷却システム内部で発生することから、室温から希釈冷凍機のベース・ステージ温度にマイクロ波信号を伝送することに関連するそのような劣化問題を回避し得る。

【0014】

ここで本発明の態様のより詳細な説明について考えると、図１は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、非縮退パラメトリック・デバイス（nondegenerate parametric device）１０２のための回路１００の概略図を示す。非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、例としてのジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ）として示されている。非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、量子限界においてマイクロ波信号を増幅し、または混合し、あるいはその両方を行うように構築される。非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、基本固有モードのｒｆ電流（即ち、無線周波数電流）の波腹において２つのマイクロ波共振器１１０（例えば、共振器ａ）および１１２（例えば、共振器ｂ）に組み込まれるジョセフソン・リング変調器（Josephson ring modulator）（例えば、ＪＲＭ）１０４を含む。ＪＲＭ１０４は、量子限界においてマイクロ波信号の３波混合を実行し得るジョセフソン・トンネル接合１０６を含む、非線形分散要素である。ＪＲＭ１０４は、４つのノードを有するホイートストン・ブリッジ構成で配置された４つの名目上同一のジョセフソン接合（Josephson junction）１０６を有する。ＪＲＭ１０４の性能、即ち、電力利得、動的帯域幅、およびダイナミック・レンジは、ＪＲＭ１０４のジョセフソン接合１０６の臨界電流、電磁環境（即ち、マイクロ波共振器１１０および１１２）の特定の実現、ならびにＪＲＭ１０４と共振器１１０および１１２との間のカップリングに強く依存する。

【0015】

図１に示されるように、共振器１１０（例えば、共振器ａ）の一端は、カップリング・コンデンサ（coupling capacitor）１１４Ａおよび伝送線路１１６を介してポート１５０（例えば、ポートａ）に結合し、共振器１１０の他端は、カップリング・コンデンサ１１４Ａおよび伝送線路１１６を介してグランドに結合する。共振器１１２（例えば、共振器ｂ）の一端は、カップリング・コンデンサ１１４Ｂおよび伝送線路１１６を介してポート１６０（例えば、ポートｂ）に結合し、共振器１１２の他端は、カップリング・コンデンサ１１４Ｂおよび伝送線路１１６を介してグランドに結合する。共振器１１０は共振周波数ｆ_ａを有し、共振器１１２は共振周波数ｆ_ｂを有し、ここで、ｆ_ａは、ｆ_ｂと等しくない。ポンプ・ポート１７０（例えば、ポートＰ）は、磁束線（flux line）１２０を介してＪＲＭ１０４に結合する。磁束線１２０は、ＪＲＭ１０４に容量結合する短絡ループ１２２を含んでもよく、それにより、短絡コプレーナ・ストリップ線路を形成する。磁束線１２０は、ＪＲＭ１０４の４つのノードのうちの２つの隣接ノードに容量結合した無損失オンチップ磁束線であってもよい。ポンプ・ポート１７０は、ＪＲＭ１０４の２つの隣接ノードに差動的に結合する周波数ｆ_ｐのポンプ・マイクロ波信号（例えば、ポンプ駆動）を受信し、その場合に、ポンプ駆動信号は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２（例えば、ＪＰＣ）の共通モードを引き起こす。

【0016】

制御された磁気源１８２は、電流（Ｉ）に基づいて磁場（例えば、Ｂフィールド、または磁束密度）を生成することによって、ＪＲＭ１０４に外部磁束バイアスを提供する。ポート１８０（例えば、ポートＭ）は、外部磁束を受信するＪＲＭ１０４の例として示されている。ポート１８０の例としての位置は、例示の目的で与えられており、限定されることを意味しない。本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、磁気源１８２は、時間変動磁束またはパルス磁束を生成し、ＪＲＭ１０４に提供するように構成される。印加される磁場は（例えば、電流（例えば、直流電流または交流電流）を超伝導コイルに印加することによって）変化し、次に、印加される磁束に変換される。磁束（Φ_ｅｘｔ）は、超伝導ループ（即ち、ＪＲＭ１０４）を通り抜ける磁場の量を表す物理量である。図１は、磁気源１８２がチップ１９０の外部にあることを示しているが、磁気源１８２は、他の方法で実施されてもよく、かつ本発明の１つまたは複数の実施形態においてオンチップであってもよいことを理解されたい。いくつかの実施例において、外部磁束は、オンチップ磁束線、外部磁気コイル（例えば、磁気源１８２）を用いて印加されてもよく、またはオンチップに統合された、もしくはチップ・パッケージ内の磁気材料を用いて、印加されてもよい。

【0017】

図１は、チップ１９０上においてＪＰＣとして非縮退パラメトリック・デバイス１０２のマイクロストリップ実施態様を示しているが、非縮退パラメトリック・デバイス１０２は限定されることを意味しておらず、他の実施態様が可能であると考えられる。非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、コプレーナ・ストリップ線路共振器、マイクロストリップ共振器（図１に示される）、コンパクト／集中素子共振器、インピーダンス整合ネットワーク、集中素子コンデンサおよびインダクタ、ならびに３次元キャビティを用いて実施され得る。さらに、非縮退パラメトリック・デバイス１０２（例えば、ＪＰＣ）のダイナミック・レンジは、例えば、ニオブ接合およびナノブリッジを用いることにより、ＪＲＭ１０４を形成するジョセフソン接合１０６の臨界電流を拡大することによって改善され得る。非縮退パラメトリック・デバイス１０２の可変帯域幅は、リングにおいてシャントされたジョセフソン接合１０８を用いるなど、線形インダクタンスを有するＪＲＭ１０４のジョセフソン接合１０６をシャントすることによって増加され得る。また、非縮退パラメトリック・デバイス１０２の瞬時帯域幅は、適切に設計されたインピーダンス整合ネットワークを通してＪＲＭ１０４を外部フィードラインに結合することによって、拡張され得る。これは、デバイスが高速時間スケールで作動し、急峻なパルスをサポートすることを可能にする。

【0018】

図１に示される磁気源１８２は、概略的に超伝導磁気コイルとして描かれているが、磁気源１８２は、オンチップ磁束線またはＪＲＭの近傍においてフリップ・チップ上に実現された磁束線あるいはその両方として実現されてもよく、それらは、ＤＣ電流およびＡＣ電流によって駆動されることに留意されたい。追加的に、磁気源１８２とＪＲＭ１０４との間に比較的強い相互インダクタンスが存在するべきであるということに留意されたい。

【0019】

マイクロ波共振器１１０および１１２、伝送線路１１６、伝送線路１２４、ジョセフソン接合１０６および１０８、ＪＲＭ１０４、ならびに磁束線１２０は、超伝導材料を含む。超伝導材料は、臨界温度未満で超伝導性を示す。

【0020】

図２は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、回路１００による周波数変換を用いたパルス整形の実施例を示す。非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、高調波が抑制された完全周波数変換モードで動作する無損失ＪＰＣであってもよい。図２および図３（後述する）は、図１の詳細を組み込むが、詳細は、簡潔さのため、かつ図２および図３を不明確にしないように省略される。

【0021】

図２において、非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、ポート１５０（例えば、ポートａ）において周波数ｆ_１を有する連続波／信号（continuous wave/signal）を、かつポート１７０（ポートＰ）において周波数ｆ_ｐを有する連続波／信号を受信する。非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、ポート１８０（例えば、ポートＭ）において、時間変動磁束またはパルス磁束を受信する。この実施例では、時間変動磁束は、例えば、０からＢ_１の大きさで繰り返される矩形パルスとして示されている。値０は、説明のために示されており、大きさは、Ｂ_１と非ゼロ値との間を含む任意の値の間で変動し得る。非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、周波数ｆ_２を有し、かつポート１８０における時間変動磁束入力に基づいて整形されたパルスまたは波形を有する出力信号を生成するように構成される。周波数ｆ_１の入力信号および周波数ｆ_２の出力信号に関して、ポンプ信号（周波数ｆ_ｐ）は、ｆ_ｐ＝｜ｆ_２－ｆ_１｜を満たすように印加される。ダイオードベースの混合器とは異なり、非縮退パラメトリック・デバイス１０２（例えば、ＪＰＣ）の作動点は、磁気源１８２から印加された磁束バイアスに依存する。印加される磁束を時間の関数として変化させることによって、非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２を通して伝送されたマイクロ波信号を変調するように構成され、それによって、周波数変換により周波数ｆ_２である出力信号についての変調されたパルス形状または波形形状をもたらす。

【0022】

磁気源１８２は、ポート１８０のための時間変動磁束を生成するようにコントローラ（図示せず）によって制御され、かつコントローラに結合され得る。例としてのコントローラは、例えば、ＤＣ電流およびＡＣ電流などの時間変動電流を提供するように構成される電流源を含んでもよく、または電流源を制御するために結合されてもよい。コントローラは、メモリ内のコンピュータ実行可能命令を読み出し／実行するように構成されるプロセッサを含み得る。命令の実行に基づいて、コントローラは、電流源に、磁気源１８２に提供される電流を変化させるように構成され、本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、磁気源１８２は、同様に時間変動磁束（例えば、パルス磁束）を生成する。

【0023】

この実施例では、図２は、矩形波を時間変動磁束として示す。異なる種類の時間変動磁束が、対応する出力信号（周波数ｆ_２）をパルス整形するために利用され得ると考えられる。時間変動磁束の種類の例は、方形パルス（例えば、図２に示される）、シンク（ｓｉｎｃ）・パルス、ガウシアン・パルス（例えば、図３に示される）、レイズドコサイン（コサイン２乗）・パルスなどを含み得る。

【0024】

図３は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、回路１００による周波数変換を用いたパルス整形を示す。図３において、非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、高調波が抑制された完全周波数変換モードで動作する無損失ＪＰＣであってもよい。非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、ポート１５０（例えば、ポートａ）において周波数ｆ_１を有する連続波／信号を、かつポート１７０（ポートＰ）において周波数ｆ_ｐを有する連続波／信号を受信する。本明細書で述べたように、非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、ポート１８０（例えば、ポートＭ）において時間変動磁束またはパルス磁束を受信する。この実施例では、時間変動磁束は、０からＢ_１まで変化する大きさを有するガウシアン・パルスとして示される。非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、図３に示されるように、周波数ｆ_２を有し、かつポート１８０における時間変動磁束入力に基づいて整形されたパルスまたは波形を有する出力信号を生成するように構成される。図３に示される磁束変調のガウシアン形状は、出力においてマイクロ波信号のガウシアン・パルスを生成するために必要な実際のパルス形状を例示的に簡略化したものであることに留意されたい。実際に必要な形状は、印加される磁束の関数として、デバイス時間応答（対時間）を用いて数学的に計算され得る。この場合も、周波数ｆ_１の入力信号および周波数ｆ_２の出力信号に関して、ポンプ信号（周波数ｆ_ｐ）がｆ_ｐ＝｜ｆ_２－ｆ_１｜＝｜ｆ_ｂ－ｆ_ａ｜の関係を満たすように印加される。

【0025】

上述の通り、図２および図３の非縮退パラメトリック・デバイス１０２は、出力信号のパルスを整形することに加えて、周波数変換を用いて、ポート１５０における入力信号の入力周波数ｆ_１をポート１６０における出力信号の出力周波数ｆ_２に変換する。この実施例は、上方変換で示されているが、同様に下方変換が行われてもよい。

【0026】

冷却システムにおいて超伝導回路（例えば、回路１００および後述の回路４００）によってマイクロ波信号のパルス整形または波形整形を実行することの様々な技術的利益がある。超伝導回路は、冷却システムにおいてパルス整形されたマイクロ波信号を受信する１つまたは複数の量子プロセッサの近傍にある。室温の電子部品を用いてマイクロ波信号／パルス（キュービット読み出し信号およびキュービット制御信号であり得る）を生成すること、ならびにそれらを希釈冷凍機内に位置する超伝導量子プロセッサにマイクロ波線路を通して伝送することは、いくつかの問題を有する。それらの問題は、本発明の１つまたは複数の実施形態によって回避または軽減あるいはその両方が行われ得るが、必須ではない。本発明の１つまたは複数の実施形態によって回避または軽減あるいはその両方が行われ得る例としての問題は、以下を含む。典型的には同軸ケーブル、マイクロ波コネクタ、フィルタ、減衰器、マイクロ波コンポーネントを含む希釈冷凍機の入力線路における様々なインピーダンス不整合および分散関係（即ち、周波数依存関係）に起因して、伝送されたマイクロ波パルスは、量子プロセッサまでの経路において歪みを受ける。これらの歪みは、読み出しの単一キュービット・エラーおよび２キュービット・ゲート・エラーを引き起こすことがあり、これらのエラーは、冷却システムの内部で発生するパルス整形のために、本発明の１つまたは複数の実施形態によって回避または軽減あるいはその両方が行われ得るが、必須ではない。さらに、これらのマイクロ波コンポーネントの応答は、冷却されるときに変化する傾向にあるため、これらの歪みは、希釈冷凍機が室温であるときは測定および特性化することが困難であり得ることに留意されたい。

【0027】

本発明の１つまたは複数の実施形態によって回避または軽減あるいはその両方が行われ得る別の例としての問題は、以下を含む。室温でマイクロ波パルスを生成するために使用されるダイオードベースの混合器は、寄生高調波およびサイドバンドを作り出す傾向にあり、それらは、セットアップにオーバヘッドを追加することを代償に、抑制またはフィルタリングされない場合に、量子プロセッサについての読み出しエラーおよびゲート・エラーを引き起こすことがある。しかしながら、これらのおよび他の問題は、本発明の１つまたは複数の実施形態によって回避または軽減あるいはその両方が行われ得るが、必須ではない。本発明の１つまたは複数の実施形態によって回避または軽減あるいはその両方が行われ得る追加例としての問題は、以下を含む。（キュービット位相緩和につながり得る）読み出し入力線路を通って伝わるノイズに起因する上昇した熱光子分布から、量子プロセッサの読み出し共振器を遮蔽するために、強度のフィルタリングおよび減衰がこれらの線路に組み込まれて、読み出し共振器のこれらの比較的高い周波数（例えば、７ギガヘルツ（ＧＨｚ）以上）における熱雑音を減衰させる。これは、また、ハードウェア・オーバヘッドをセットアップに追加する。しかしながら、高周波は、室温にある外部からではなく冷却システム内部において生成されるため、これらのおよび他の問題は、本発明の１つまたは複数の実施形態によって回避または軽減あるいはその両方が行われ得るが、必須ではない。

【0028】

図４は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、非縮退パラメトリック・デバイスを結合する回路４００の概略図を示す。図４（図５および図６と共に）において、非縮退パラメトリック・デバイスは、図１の非縮退パラメトリック・デバイス１０２の詳細を含み、２つの非縮退パラメトリック・デバイスは、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２と示されているが、それらの構造は、名目上同一である。図１の非縮退パラメトリック・デバイス１０２のいくつかの詳細は、簡潔にするために図４、図５、および図６には記載されていないが、類推により適用される。

【0029】

図４において、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２は、基本固有モードのｒｆ電流波腹において２つのマイクロ波共振器１１０（例えば、共振器ａ）および１１２（例えば、共振器ｂ）に組み込まれる、それぞれそれ自体のＪＲＭ１０４を含む。上述の通り、各ＪＲＭ１０４は、ジョセフソン・トンネル接合１０６を含む。回路４００の非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１において、共振器１１０（例えば、共振器ａ）の一端は、カップリング・コンデンサ１１４Ａおよび伝送線路１１６を介してポート１５０＿１（例えば、ポートａ）に結合し、共振器１１０の他端は、カップリング・コンデンサ１１４Ａおよび伝送線路１１６を介してグランドに結合する。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１において、共振器１１２（例えば、共振器ｂ）の一端は、カップリング・コンデンサ１１４Ｂおよび伝送線路１１６を介してポート１６０＿１（例えば、ポートｂ）に結合し、共振器１１２の他端は、カップリング・コンデンサ１１４Ｂおよび伝送線路１１６を介してグランドに結合する。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１は、磁束線１２０を介してポンプ・ポート１７０＿１に結合される。

【0030】

同様に、図４の回路４００の非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２において、共振器１１０（例えば、共振器ａ）の一端は、カップリング・コンデンサ１１４Ａおよび伝送線路１１６を介してポート１５０＿２（例えば、ポートａ）に結合し、共振器１１０の他端は、カップリング・コンデンサ１１４Ａおよび伝送線路１１６を介してグランドに結合する。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２において、共振器１１２（例えば、共振器ｂ）の一端は、カップリング・コンデンサ１１４Ｂおよび伝送線路１１６を介してポート１６０＿２（例えば、ポートｂ）に結合し、共振器１１２の他端は、カップリング・コンデンサ１１４Ｂおよび伝送線路１１６を介してグランドに結合する。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２は、磁束線１２０を介してポンプ・ポート１７０＿２に結合される。ポート１６０＿１および１６０＿２（ポートｂ）は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２（例えば、ＪＰＣは背中合わせである）の両方によって共有される。

【0031】

図１と同様に、図４の回路４００内の非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２は、それぞれのポート１８０＿１および１８０＿２（ポートＭ）を介してそれぞれのＪＲＭ１０４を通して磁束（Φ_ｅｘｔ）を別々に受信する。図４は、電流（Ｉ）に基づいて磁場（例えば、Ｂフィールドまたは磁束密度）を生成することによって、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１においてポート１８０＿１を介してＪＲＭ１０４に外部磁束バイアスを提供する磁気源１８２＿１を示す。同様に、図４は、ポート１８０＿２を介して非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２内のＪＲＭ１０４に外部磁束バイアスを提供する磁気源１８２＿２を示す。図４は、チップ１９０上の回路４００を示す。図４は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２のマイクロストリップ実施態様を示しているが、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２は、限定されることを意味しておらず、本明細書で述べたように他の実施態様が可能である。

【0032】

回路４００の例としての構成を参照すると、図５は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、（入力信号の周波数を出力信号と比較したときに）周波数変換なしのパルス整形を示す。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１は、ポート１５０＿１（例えば、回路４００の入力ポートａ）において周波数ｆ_１を有する連続波／信号を、かつポート１７０＿１（ポートＰ）において周波数ｆ_ｐを有する連続波／信号を受信する。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２は、ポート１７０＿２（ポートＰ）において周波数ｆ_ｐを有する連続波／信号を受信する。ハイブリッド・カプラ５０２は、ポンプ・ポート１７０＿１および１７０＿２を介して回路４００に接続される。ハイブリッド・カプラ５０２の反対側の端は、ポンプ信号をポンプ・ポート１７０＿１および１７０＿２に分配する前にポンプ信号を受信するポート５０４に接続され、ポート５０６に接続される。ポート５０６は、低温端子、例えば標準５０オーム（Ω）端子に結合され得る。ハイブリッド・カプラ５０２は、９０°（度）ハイブリッド・カプラとして示され、他の種類のカプラが利用され得ることを理解されたい。ポート１７０＿１および１７０＿２はそれぞれ、ハイブリッド・カプラ５０２のためにポンプ信号の大きさの２分の１を受信する。本発明の１つまたは複数の実施形態では、ハイブリッド・カプラ５０２は、省略されてもよく、ポンプ・ポート１７０＿１および１７０＿２は、それらのポンプ信号を別々に受信し得る。

【0033】

図５の例に戻って、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１は、ポート１８０＿１（例えば、ポートＭ）において固定磁束を受信する。固定磁束は、経時的に変化せず、したがって、その大きさ（Ｂ１）は不変のままである。固定磁束の大きさは、経時的に一定またはほぼ一定あるいはその両方のままであるように意図されるが、大きさは、磁束を生成する機器の許容誤差の範囲内で一定であり、誤差による変動は許容されることを理解されたい。しかしながら、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２は、ポート１８０＿２（例えば、ポートＭ）において時間変動磁束またはパルス磁束を受信し、ポート１８０＿２において、大きさは、例えば０からＢ_１まで経時的に変化する。この実施例では、時間変動磁束は、矩形パルスとして示されている。

【0034】

非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１は、ポート１６０＿１（ポートｂ）における周波数変換された信号を非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２のポート１６０＿２に出力する。本明細書に記載した通り、ポート１６０＿１および１６０＿２は、図５の非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２の共有ポートである。周波数変換された信号は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１のポート１５０＿１において受信される入力信号（ｆ_１）の上方変換または下方変換あるいはその両方であってもよい。この実施例では、入力信号の周波数は、周波数ｆ_２の信号に上方変換され、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２に伝送される。周波数ｆ_２のこの変換後の信号は、中間信号である。

【0035】

ポート１６０＿２において周波数変換された信号を受信することに応答して、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２は、周波数ｆ_１を有し、かつポート１８０＿２（ポートＭ）における時間変動磁束入力に基づいて整形されたパルスまたは波形を有する出力信号を生成するように構成される。周波数ｆ_１の入力信号および周波数ｆ_１の出力信号に関して、周波数変換された信号が周波数ｆ_２を有すると仮定すると、ポンプ信号（周波数ｆ_ｐ）は、ｆ_ｐ＝｜ｆ_２－ｆ_１｜の関係を満たすように印加される。本明細書に記載した通り、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２（例えば、ＪＰＣ）の作動点は、印加された磁束バイアスに依存する。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１のために固定磁束を維持すること、および非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２のために印加磁束を時間の関数として変化させることによって、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２を通して伝送された入力マイクロ波信号を変調するように構成され、それによって、周波数ｆ_１の出力信号のための変調されたパルス形状または波形形状がもたらされる。

【0036】

磁気源１８２＿１および１８２＿２は、１つまたは複数の電流源に結合された１つまたは複数のコントローラを用いて、それぞれポート１８０＿１のための固定磁束およびポート１８０＿２のための時間変動磁束を生成するように制御され得る。本発明の１つまたは複数の実施形態において、各磁気源１８２＿１および１８２＿２は、それ自体のコントローラまたは電流源あるいはその両方に結合され得る。追加的に、コントローラは、磁気源１８２＿１および磁気源１８２＿２に独立して電流を提供するための複数の出力を有する電流源を制御し得る。図５は、矩形波を時間変動磁束として示す。本明細書に記載した通り、異なる種類の時間変動磁束が、周波数ｆ_１を維持しつつ、対応する出力信号をパルス整形するために利用され得る。時間変動磁束の例としての種類は、方形パルス（例えば、図５に示される）、シンク（ｓｉｎｃ）・パルス、ガウシアン・パルス（例えば、図６に示される）、レイズドコサイン（コサイン２乗）・パルスなどを含み得る。

【0037】

図６は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、回路４００による周波数維持を用いたパルス整形を示す。図６において、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２は、図５と類似であり、いくつかの詳細の説明が省略され得る。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１は、ポート１５０＿１（例えば、回路４００の入力ポートａ）において周波数ｆ_１を有する連続波／信号を、かつポート１７０＿１（ポートＰ）において周波数ｆ_ｐを有する連続波／信号を受信する。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２は、ポート１７０＿２（例えば、ポートＰ）において周波数ｆ_ｐを有する連続波／信号を受信する。

【0038】

本明細書に記載される通り、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１は、ポート１８０＿１（例えば、ポートＭ）において固定磁束を受信し、固定磁束は、経時的に変化せず、したがって、その大きさ（Ｂ_１）は不変のままである。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２は、ポート１８０＿２（例えば、ポートＭ）において時間変動磁束またはパルス磁束を受信し、ポート１８０＿２において、大きさは、例えば０からＢ_１まで経時的に変化する。この例では、時間変動磁束は、ガウシアン・パルスとして示されている。

【0039】

非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１は、ポート１６０＿１（ポートｂ）における周波数変換された信号を非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２のポート１６０＿２に出力する。周波数変換された信号は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１のポート１５０＿１において受信される入力信号（ｆ_１）の上方変換または下方変換あるいはその両方であってもよい。例えば、周波数ｆ_１の入力信号は、周波数ｆ_２に上方変換されて、周波数変換された信号として非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２に伝送されてもよい。ポート１６０＿２において周波数変換された信号を受信することに応答して、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２は、周波数ｆ_１を有し、かつポート１８０＿２（ポートＭ）における時間変動磁束入力に基づいて整形されたパルスまたは波形を有する出力信号を生成するように構成される。周波数ｆ_１の入力信号および周波数ｆ_１の出力信号に関して、周波数変換された信号が周波数ｆ_２であると仮定すると、ポンプ信号（周波数ｆ_ｐ）は、ｆ_ｐ＝｜ｆ_２－ｆ_１｜の関係を満たすように印加される。非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１のために固定磁束を維持すること、および非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２のために印加磁束を時間の関数として変化させることによって、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２を通して伝送された入力マイクロ波信号を変調するように構成され、それによって、周波数ｆ_１の出力信号のための変調されたパルス形状または波形形状がもたらされる。

【0040】

図５および図６は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１がポート１８０＿１において固定磁束を受信し、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２がポート１８０＿２において時間変動磁束を受信する例を示しており、他のアーキテクチャが可能であることを理解されたい。本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、回路４００内の出力信号（例えば、周波数ｆ_１）の位相または振幅あるいはその両方が、時間変動磁束の周波数で変調され得る。この実施例では、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１は、ポート１８０＿１において時間変動磁束を受信し、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２は、ポート１８０＿２において固定磁束を受信し、これは、ポート１８０＿１および１８０＿２にそれぞれ印加される外部バイアスが逆であることを意味する。その結果、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２のポート１５０＿２において伝送される出力信号は、ポート１８０＿１において非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１によって受信される時間変動磁束の周波数に従って変調された位相または振幅あるいはその両方を有し得る。回路４００は、受信機（図示せず）に結合されてもよく、伝送された出力信号は、回路４００から受信機に伝送され、それによって、回路４００がマイクロ波通信に利用されることが可能となる。

【0041】

図７は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、イン・サイチュ（in situ）で（例えば、冷却システム内で）量子信号（例えば、読み出し信号またはキュービット信号あるいはその両方）を生成し、パルス整形するために回路１００を利用するシステム７００を示す。システム７００は、例えば希釈冷凍機などの冷却システムにおいて量子プロセッサ７０２に結合された回路１００を含む。量子プロセッサ７０２は、複数の超伝導キュービット、読み出し共振器、量子メモリ、および量子カップリング・デバイスを含み得る。量子プロセッサ７０２は、読み出し共振器７１２に結合されたキュービット７１０を含む。共振器は、量子ビットの情報の全てまたは一部を記憶するために使用され得る複数のエネルギー・レベルを有する物理アセンブリである。例えば、共振器は、伝送線路、共振キャビティ、または所与の用途に適した任意の他の構造として実施され得る。概して、共振器は、一定である特性周波数を有するが、チューナブル共振器アセンブリは、所与の用途によって必要とされる場合に使用され得ることを理解されたい。キュービットは、分布が制御され得る複数のエネルギー状態を有する物理アセンブリである。キュービットは、例えば、コンデンサの電場、インダクタの磁場、および超伝導位相差の何らかの組み合わせの間でエネルギーを移送し得る非調和振動子として実施され得る。キュービットの例としての実施態様は、ジョセフソン接合、線形インダクタ、超伝導ループ、ギャップ静電容量、プレート静電容量のうちの１つまたは複数を含んでもよく、それは、例えば、クーパー対ボックス・キュービット、トランズモン・キュービット、フラクソニウム・キュービット、およびフラックス・キュービットとして実現され得る。

【0042】

図７において、１つまたは複数の読み出し共振器７１２は、１つまたは複数のキュービット７１０の状態を推測するか、または読み出すように構成される。読み出し共振器７１２は、読み出し共振器７１２に、１つまたは複数のキュービット７１０の状態に対応するそれらの状態情報を、量子プロセッサ７０２を出る出力読み出し信号に符号化させる、読み出し信号／パルスを受信するように構成される。回路１００は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２のポート１６０（例えば、ポートｂ）からの出力信号である、読み出し信号を生成し、パルス整形するように構成される。

【0043】

非縮退パラメトリック・デバイス１０２のポート１６０からの出力信号を量子プロセッサ７０２のための読み出し信号／パルスとして使用することによって、システム７００に様々な利益がもたらされる。周波数ｆ_２の読み出しパルスは、ｆ_１およびｆ_ｐの連続波を非縮退パラメトリック・デバイス１０２（例えば、ＪＰＣ）に供給することによって、かつ時間変動磁束（例えば、ＤＣ電流またはＡＣ電流あるいはその両方を用いて）によって生成されるため、結果として生じるパルス（即ち、出力信号）は、量子プロセッサ７０２に距離が近く（例えば、同一冷却システム内で）、それによって、室温の電子部品（冷却システムの外部にある）を用いて生成される読み出しパルスに関連する歪みおよび不要な高調波を回避する（またはほとんど受けない）。特に、システム７００は、室温の電子部品を用いて生成され、かつ複数の減衰器、フィルタ、マイクロ波ケーブル、およびコネクタを含む希釈冷凍機入力線路を通って伝送される読み出しパルスに関連する歪みおよび不要な高調波を回避する。様々な回避困難なインピーダンス不整合および周波数分散に起因して、複数の減衰器、フィルタ、マイクロ波ケーブル、およびコネクタの全てが、量子プロセッサに到達する前に周波数ｆ_２で線路を伝播する読み出しパルスを潜在的に歪め得る。室温の電子部品は、室温において始まり、かつ冷却システム内部で終了する入力線路によって冷却システムに接続される。図７において、回路１００および量子プロセッサ７０２を接続する伝送線路は、冷却システム内にある。

【0044】

さらに、周波数ｆ_１およびｆ_ｐの比較的低い周波数のマイクロ波信号、ならびに時間変動磁束は、通常室温で生成される周波数ｆ_２の高周波マイクロ波信号と比較して生成および制御するのがより容易かつ安価である。したがって、量子プロセッサ７０２と共に冷却システム内で周波数ｆ_２の出力信号を生成する回路１００を有することによって、システム７００は、キュービット位相緩和を引き起こす、読み出し共振器７１２の内部の熱光子分布を低減させる。量子プロセッサ７０２に結合される１つの回路１００が、図７において示されているが、多数の回路１００が量子プロセッサ７０２に結合され得ることを理解されたい。

【0045】

図８は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、イン・サイチュで（例えば、冷却システム内で）量子信号（例えば、読み出し信号またはキュービット信号あるいはその両方）を生成し、パルス整形するために回路４００を利用するシステム８００を示す。システム８００は、例えば希釈冷凍機などの冷却システムにおいて量子プロセッサ７０２に結合された回路４００を含む。本明細書で述べたように、量子プロセッサ７０２は、読み出し共振器７１２に結合された１つまたは複数のキュービット７１０を含む。１つまたは複数のキュービット７１０の状態は、キュービット７１０の共振周波数の信号または共振周波数前後の信号であり得るキュービット信号／パルスを受信することに基づいて影響を受け、または変更され得る。回路４００は、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２のポート１５０＿２からの出力信号である、キュービット信号（または読み出し信号あるいはその両方）を生成し、パルス整形するように構成される。

【0046】

（例えば、出力信号に対応する）周波数ｆ_１のキュービット信号／パルスは、ポート１５０＿１における周波数ｆ_１の連続波、ポンプ・ポート１７０＿１および１７０＿２における周波数ｆ_ｐの連続波、ポート１８０＿１における固定磁束、およびポート１８０＿２における時間変動磁束を、２つの非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１および１０２＿２（例えば、２つのＪＰＣ）にそれぞれ供給することによって生成されるため、結果として生じるパルス（即ち、出力信号）は、量子プロセッサ７０２に距離が近く（例えば、同一冷却システム内にあり）、したがって、量子プロセッサ７０２への出力信号は、冷却システムの外部にある室温の電子部品を用いて生成されるキュービット・パルスに関連する歪みおよび不要な高調波を回避する（またはほとんど受けない）。量子プロセッサ７０２に結合される１つの回路４００が、図８に示されているが、多数の回路４００が量子プロセッサ７０２に結合され得ることを理解されたい。

【0047】

本明細書で述べたように、システム８００は、室温の電子部品を用いて生成され、かつ複数の減衰器、フィルタ、マイクロ波ケーブル、およびコネクタを含む希釈冷凍機入力線路を通して伝送されるキュービット・パルスに関連する歪みおよび不要な高調波を回避する。複数の減衰器、フィルタ、マイクロ波ケーブル、およびコネクタの全てが、様々な回避困難なインピーダンス不整合および長い線路に沿った周波数分散に起因して、量子プロセッサに到達する前に周波数ｆ_１で線路を伝播するキュービット・パルスを潜在的に歪め得る。したがって、システム８００は、量子プロセッサ７０２においてより良好なシングル・キュービット忠実度および２キュービット・ゲート忠実度をもたらすように構成される。

【0048】

読者の理解を助けるため、および限定のために、非縮退パラメトリック・デバイス１０２に関するさらなる詳細が、図９、図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃにおいて後述される。図９は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、周波数変換における非縮退３波混合デバイスについての信号フロー図を示す。超伝導非縮退３波混合デバイスは、３つのポートを有し、３つのポートは、概して、信号ポート（Ｓ）（例えば、ポートａ）、アイドラー・ポート（Ｉ）（例えば、ポートｂ）、およびポンプ・ポート（例えば、ポンプＰ）と示される。超伝導非縮退３波混合デバイスは、アイドラー・ポートから信号ポートへの伝送ｔおよび信号ポートからアイドラー・ポートへの伝送ｔ’を有する。アイドラーから信号ポートへ、アイドラー・マイクロ波信号は、周波数ｆ_２でアイドラー・ポートに入り、下方変換され、周波数ｆ_１で信号ポートから出る。信号からアイドラー・ポートへ、信号マイクロ波信号は、周波数ｆ_１で信号ポートに入り、上方変換され、周波数ｆ_２でアイドラー・ポートから出る。ポンプ・マイクロ波信号は、周波数上方変換および周波数下方変換のためのエネルギーを提供する。ポンプ周波数は、ｆ_ｐであり、ここで、ｆ_ｐ＝ｆ_２－ｆ_１＝ｆ_ｂ－ｆ_ａである。

【0049】

ＪＰＣなどの超伝導非縮退３波混合デバイスは、ノイズレス周波数変換において動作されるときに共振について以下の散乱行列を満たす。

【0050】

【数1】

ここで、φ_ｐは、ＪＰＣに供給するポンプ駆動の位相であり、

【数2】

は、ポンプ光子束（即ち、単位時間当たりのポンプ光子の数）である。

【0051】

完全変換作動点は、反射がなく周波数変換を用いた完全伝送で｜ｒ｜^２＝０、｜ｔ｜^２＝１である。散乱行列がユニタリであるため、以下の関係が｜ｒ｜^２＋｜ｔ｜^２＝１を保持する。ユニタリは、伝送される信号のエネルギーおよび位相コヒーレンスを保存する。ＪＰＣは、３つのモードを含む３波混合デバイスであり、３つのモードは、図１０Ａに示される差動モードＸ、図１０Ｂに示される差動モードＹ、および図１０Ｃに示される共通モードＺである。

【0052】

図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃは、ＪＲＭのモードＸ、Ｙ、Ｚについてのｒｆ電圧励起パターンを示す。これらの３つのモード間のカップリング定数ｇ_３は、ＪＲＭの外側のジョセフソン接合のジョセフソン・エネルギーＥ_ｊ、モードＸ、Ｙ、Ｚの周波数、および共振モード構造の総インダクタンスに対するジョセフソン接合（ＪＪ）インダクタンスの比率に対応する３つのモードの関与率に依存し、ならびにＪＲＭループを通り抜ける磁束（Φ_ｅｘｔ）に依存する。ＪＪのジョセフソン・エネルギーは、Ｅ_ｊと示される。ＪＪをシャントする線形インダクタは、Ｌと示される。

【0053】

図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃにおいて、カップリング定数ｇ_３の符号は、ＪＲＭの外側ループにおける循環電流Ｉ_ｃｉｒｃ（例えば、ＤＣ電流）の方向に依存し、または代替的に、ＪＲＭループを通り抜ける外部磁束（Φ_ｅｘｔ）に依存する。ポンプ駆動（例えば、強いコヒーレント・マイクロ波トーン）がＪＰＣに加えられるとき、ＪＰＣのモードａおよびｂの間のカップリング定数は、

【数3】

によって与えられ、ここで、ｎ_ｐは、ＪＲＭを駆動するポンプ光子の平均数であり、φ_ｐは、ポンプ駆動の位相である。

【0054】

誘導シャントされたＪＲＭのエネルギーに関して、さらなる説明が与えられる。

【数4】

と仮定すると、ＪＲＭエネルギーは、以下の式によって与えられる。

【0055】

【数5】

ここで、

【数6】

、Φ_０は、磁束量子であり、

【数7】

は、シャント・インダクタの誘導エネルギーである。さらに、

【数8】

は、モードＸ、Ｙ、Ｚのマイクロ波励起にそれぞれ対応する減少された一般化磁束である。

【0056】

Ｅ_ＪＲＭ式（ＪＲＭエネルギー）において、

【数9】

の項は、ＪＲＭエネルギーの一次項であり、それは、

【数10】

、

【数11】

、

【数12】

の間のデバイスの３波混合動作を示す。Ｅ_ＪＲＭ式中の項

【数13】

は、モードＸ、Ｙ、Ｚの周波数を繰り込みする。項

【数14】

は、

【数15】

から独立している。

【数16】

は、３波混合動作がＪＲＭを通り抜ける外部磁束によって可能にされることを示す。例えば、外部磁束φ_ｅｘｔ＝０の場合、これは、３つのモード間の混合がないことを意味する。φ_ｅｘｔ＝定数を維持すべきであるように見えることがあり、定数は、モードＸおよびＹに対してある周波数を与えるように設定されるが、本発明の１つまたは複数の実施形態は、本明細書に説明されるモードＸおよびＹの出力信号をパルス整形するために用いられるφ_ｅｘｔ（ｔ）が、時間で変調され得るように構成される。

【0057】

図１１は、１つまたは複数の実施形態による、周波数変換を用いたパルス整形のための方法１１００のフロー・チャートである。方法１１００は、ブロック１１０２において、混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２）によって、（例えば、ポート１８０（ポートＭ）を介して）信号および時間変動磁束を受信することを含む。ブロック１１０４において、混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２）は、信号および時間変動磁束を用いて、時間変動磁束によって設定される波形プロファイルを有する出力信号を（例えばポート１６０を介して）生成するように構成される。

【0058】

信号は、第１のマイクロ波信号（例えば、周波数ｆ_１の入力信号）および第２のマイクロ波信号（例えば、周波数ｆ_ｐのポンプ信号）を含み、第１のマイクロ波信号および第２のマイクロ波信号は、異なる周波数である。（例えば、ポート１８０を介した）時間変動磁束は、時間の関数として変調される大きさを有する時間変動制御信号である。マイクロ波信号は、振幅、周波数、および位相が経時的に固定である連続波信号である。混合デバイスは、リング変調器（例えば、ジョセフソン・リング変調器１０４）を含む。出力信号の波形プロファイル（例えば、周波数ｆ_２の出力信号）が、時間変動磁束に応じた混合デバイスのリング変調器に少なくとも一部基づいて生成される。

【0059】

図１２は、１つまたは複数の実施形態による、周波数変換なしの（即ち、出力信号および入力信号の周波数が等しい（または実質的に等しい））パルス整形のための方法１２００のフロー・チャートである。ブロック１２０２において、方法１２００は、回路（例えば、回路４００）によって、（例えば、ポートを介して）信号および時間変動磁束を受信することであって、回路が、第２の混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２）に結合された第１の混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１）を含む、受信することを含む。ブロック１２０４において、回路（例えば、回路４００）は、（例えば、ポート１５０＿１、１５０＿２、１７０＿１、１７０＿２を介して）信号および（ポート１８０＿２を介して）時間変動磁束を用いて、時間変動磁束によって設定される波形プロファイルを有する出力信号を生成するように構成される。

【0060】

時間変動磁束は、時間の関数として変調される大きさを有する時間変動信号である。第１の混合デバイスおよび第２の混合デバイスのうちの１つが、時間変動磁束を受信し、第１の混合デバイスおよび第２の混合デバイスのうちのもう１つが、固定磁束を受信する。第１の混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１）は、信号のうちの第１の信号（例えば、ポート１５０＿１を介した入力信号）および第２の信号（例えば、ポート１７０＿１を介したポンプ信号）を用いて、中間信号（例えば、ポート１６０＿１を介して変換された信号）を第２の混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２）に提供するように構成される。第２の混合デバイスは、第１の混合デバイスから中間信号を受信するように構成され、第２の混合デバイスは、中間信号（例えば、変換された信号）を入力として使用して、出力信号（例えば、ポート１５０＿２を介した出力信号）を生成するように構成される。

【0061】

図１３は、１つまたは複数の実施形態による、回路１００を構成する方法１３００のフロー・チャートである。ブロック１３０２において、方法１３００は、３波混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２）を磁気源（例えば、磁気源１８２）に結合することであって、３波混合デバイスが、磁気源から（例えば、ポート１８０を介して）時間変動磁束を受信するように構成される、結合することを含む。ブロック１３０４において、方法１３００は、時間変動磁束によって設定される波形プロファイルを有する出力信号を（例えば、ポート１６０を介して）生成するように３波混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２）を構成することを含む。

【0062】

時間変動磁束は、時間の関数として変調される大きさを有する時間変動信号である。３波混合デバイスは、リング変調器を含む。出力信号の波形プロファイルは、時間変動磁束に応じるように構成される３波混合デバイスのリング変調器に少なくとも一部基づいて生成される。３波混合デバイスは、リング変調器に結合された共振器（例えば、共振器１１０（または共振器ａ）共振器１１２（または共振器ｂ））を含む。３波混合デバイスは、元の波形プロファイルを有する入力信号を、波形プロファイルを有する出力信号に変換するように構成される。

【0063】

図１４は、１つまたは複数の実施形態による、回路４００を構成する方法１４００のフロー・チャートである。ブロック１４０２において、方法１４００は、回路４００内の第１の３波混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１）および第２の３波混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２）を結合することであって、第１の３波混合デバイスが、固定磁束を受信するために第１の磁気源（例えば、磁気源１８２＿１）に結合され、第２の３波混合デバイスが、時間変動磁束を受信するために第２の磁気源（例えば、磁気源１８２＿２）に結合される、結合することを含む。ブロック１４０４において、方法１４００は、時間変動磁束によって設定される波形プロファイルを有する出力信号を（例えば、ポート１５０＿２を介して）生成するように回路４００を構成することを含む。

【0064】

時間変動磁束は、時間の関数として変調される大きさを有する時間変動信号である。固定磁束は、経時的に一定のままである大きさを含む。第１の３波混合デバイスは、第１の信号（例えば、ポート１５０＿１を介した入力信号）および第２の信号（例えば、ポート１７０＿１を介したポンプ信号）を用いて、中間信号（例えば、ポート１６０＿１を介して変換された信号）を第２の３波混合デバイスに提供するように構成される。第２の３波混合デバイスは、第１の３波混合デバイスから（例えば、ポート１６０＿２を介して）中間信号を受信するように構成され、第２の３波混合デバイスは、中間信号を入力として使用して、出力信号を（例えば、ポート１５０＿２を介して）生成するように構成される。

【0065】

１つまたは複数の実施形態によれば、システムは、第１の部分および第２の部分を含む回路４００と、第１の部分に結合され、かつ第１の部分に固定磁束を提供するように構成される第１の磁気源１８２＿１と、を含む。第２の磁気源１８２＿２は、第２の部分に結合され、第２の部分に時間変動磁束を提供するように構成され、回路４００は、時間変動磁束によって設定される波形プロファイルを有する出力信号を生成するように構成される。

【0066】

第１の部分は、第１の３波混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿１）を含み、第２の部分は、第２の３波混合デバイス（例えば、非縮退パラメトリック・デバイス１０２＿２）を含む。第１の部分は、固定磁束と相互作用するように構成されるリング変調器（例えば、ジョセフソン・リング変調器１０４）を含み、第２の部分は、時間変動磁束と相互作用するように構成される別のリング変調器（例えば、ジョセフソン・リング変調器１０４）を含む。第１の部分は、中間信号を第２の部分に出力するように構成され、第２の部分は、中間信号を入力として使用して、出力信号を生成するように構成される。

【0067】

本発明の様々な実施形態が、関連する図面を参照して本明細書で説明される。代替的実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく考案され得る。様々な接続および位置関係（例えば、上、下、隣接など）が、以下の説明および図面内の要素間において述べられているが、当業者は、向きが変更されても説明された機能性が維持されるときに、本明細書に記載された位置関係の多くが向きに独立していることを認識する。これらの接続または位置関係あるいはその両方が、特段の指定がない限り、直接または間接であってもよく、本発明は、この点に関して限定することを意図するものではない。したがって、エンティティの結合は、直接結合または間接結合のいずれかを指してもよく、エンティティ間の位置関係は、直接または間接の位置関係であってもよい。間接的な位置関係の例として、層「Ｂ」上に層「Ａ」を形成することに対する本説明における参照は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連特性および機能性が中間層によって実質的に変更されない限り、１つまたは複数の中間層（例えば層「Ｃ」）が層「Ａ」と層「Ｂ」との間にある状況を含む。

【0068】

以下の定義および略称は、特許請求の範囲および明細書の解釈のために使用されるものとする。本明細書において使用される、「備える（comprises）」、「備えている（comprising）」、「含む（includes）」、「含んでいる（including）」、「有する（has）」、「有している（having）」、「包含する（contains）」、もしくは「包含している（containing）」という用語、またはそれらの任意の他の変形は、非排他的包含を含むことを意図するものである。例えば、要素のリストを含む組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの要素だけに限定されず、明示的に列挙されない他の要素、またはそのような組成物、混合物、プロセス、方法、物品、もしくは装置に固有の他の要素を含み得る。

【0069】

さらに、「例示的」という用語は、「例、事例、または例示として機能すること」を意味するために、本明細書において使用される。本明細書において「例示的」と説明される任意の実施形態または設計は、必ずしも他の実施形態または設計よりも好適または有利であると解釈されるべきではない。「少なくとも１つの」および「１つまたは複数の」という用語は、１以上の任意の整数、即ち、１、２、３、４などを含むように理解される。「複数の」という用語は、２以上の任意の整数、即ち、２、３、４、５などを含むように理解される。「接続」という用語は、間接「接続」および直接「接続」を含み得る。

【0070】

「一実施形態」、「実施形態」、「例としての実施形態」などへの明細書中の参照は、説明される実施形態が、特定の特徴、構造、または特性を含み得るが、あらゆる実施形態がその特定の特徴、構造、または特性を含んでも含まなくてもよいことを示している。さらに、そのような語句は、必ずしも同一の実施形態に言及していない。さらに、特定の特徴、構造、または特性が、実施形態に関連して説明されるとき、明示的に説明されるか否かに関わらず、他の実施形態に関連するそのような特徴、構造、または特性に影響を及ぼすことは、当業者の知識の範囲内にあると考えられる。

【0071】

以下の説明のために、「上」、「下」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「上部」、「下部」という用語、およびそれらの派生語は、描かれている図面において方向付けられているように、説明された構造および方法に関連するものとする。「上に重なる」、「頂上に」、「上部の上に」、「上に配置される」、または「頂上に配置される」という用語は、第１の構造などの第１の要素が、第２の構造などの第２の要素上に存在することを意味し、界面構造などの介在要素が、第１の要素と第２の要素の間に存在してもよい。「直接接触」という用語は、第１の構造などの第１の要素、および第２の構造などの第２の要素が、２つの要素の界面においていかなる中間導電層、絶縁層、または半導体層もなしに接続されることを意味する。

【0072】

「約」、「実質的に」、「おおよそ」という用語およびそれらの変形は、本出願の出願時点に入手可能な機器に基づく特定の数量の測定値に関連する誤差の程度を含むように意図される。例えば、「約」は、所与の値の±８％、または５％、または２％の範囲を含み得る。

【0073】

図面中のフロー・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よる製作または動作方法あるいはその両方の考えられる実施態様を示す。方法の様々な機能／動作が、フロー図においてブロックにより表される。いくつかの代替的実施態様において、ブロック内に記載された機能は、図面中に記載された順序以外で発生してもよい。例えば、連続して示される２つのブロックが、実際には、実質的に同時に実行されてもよく、または、ブロックが、関係する機能性次第で逆の順序で実行されることがあってもよい。

【0074】

本発明の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されているが、網羅的であるように、または説明された実施形態に限定されるように意図されない。多くの修正および変形が、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ろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、実際の用途、もしくは市場で発見される技術を超える技術的改善を最もよく説明するため、または他の当業者が本明細書で説明された実施形態を理解できるようにするために、選択された。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】