(57)【要約】【課題】量子情報処理のための同調可能フィルタに基づく無損失マイクロ波スイッチ。【解決手段】無損失マイクロ波スイッチは多数のポートが含まれる。同調可能フィルタは、無損失マイクロ波スイッチに含まれる。ポートのおのおのは対応する同調可能フィルタに動作可能に結合されている。同調可能フィルタのおのおのは、超伝導量子干渉デバイスを含む。同調可能フィルタは、信号を伝送するための第１の状態に独立して調整され、信号を遮断するための第２の状態に独立して調整されるように構成され、同調可能フィルタのうちの任意の同調可能フィルタが、ノードを介して、同調可能フィルタのうちの他の任意の同調可能フィルタに信号を伝送するように構成されるようにしている。【選択図】図１
2019533303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無損失マイクロ波スイッチであって、
複数のポートと、
同調可能フィルタであって、前記複数のポートのおのおのは、前記同調可能フィルタのうちの対応する同調可能フィルタに動作可能に結合されている、前記同調可能フィルタと
を備え、
前記同調可能フィルタは、無損失低域通過フィルタである、無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項２】
前記同調可能フィルタは、ノードに接続している、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項３】
複数の磁束線をさらに備え、
前記複数の磁束線のうちの個々の１つは、前記同調可能フィルタのうちの個々の１つを、１対１ベースで同調させるか、または、
前記複数の磁束線のうちの１つまたは複数の磁束線が、前記同調可能フィルタのうちの前記個々の１つを同調させることに寄与する、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項４】
複数の磁力源をさらに備え、前記複数の磁力源のうちの個々の１つが、前記同調可能フィルタのうちの個々の１つを１対１ベースで同調させるようにしている、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項５】
前記同調可能フィルタが、超伝導材料を備えた、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項６】
前記無損失低域通過フィルタのおのおのが、伝送線の中心導体と直列に接続されキャパシタによってグランドへ分路された１つまたは複数のＤＣ超伝導量子干渉デバイス（ＤＣ  ＳＱＵＩＤ）を含む、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項７】
前記同調可能フィルタは、無損失高域通過フィルタである、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項８】
前記無損失高域通過フィルタのおのおのが、１つまたは複数のＤＣ  ＳＱＵＩＤによって分路されたキャパシタを含む、請求項７に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項９】
前記複数のポートのうちの任意のポートが、前記複数のポートのうちの他の任意のポートに信号を伝送するように構成された、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項１０】
前記複数のポートのうちの任意のポートのための前記同調可能フィルタのうちの前記対応する同調可能フィルタと、前記複数のポートのうちの前記他の任意のポートのための前記同調可能フィルタのうちの前記対応する同調可能フィルタとは、両方とも、前記信号を伝送するように調整されるように構成される一方、前記同調可能フィルタのうちの他のすべての同調可能フィルタは、前記信号を遮断するように調整されるように構成された、請求項９に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項１１】
無損失マイクロ波スイッチを構成する方法であって、
複数のポートを提供することと、
同調可能フィルタを提供することであって、前記複数のポートのおのおのが、前記同調可能フィルタのうちの対応する同調可能フィルタに動作可能に結合されるようにする、前記提供することと
を含み、
前記同調可能フィルタは、無損失低域通過フィルタである、方法。
【請求項１２】
前記同調可能フィルタは、ノードに接続している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
複数の磁束線を提供することをさらに含み、
前記複数の磁束線のうちの個々の１つは、前記同調可能フィルタのうちの個々の１つを、１対１ベースで同調させるか、または、
前記複数の磁束線のうちの１つまたは複数の磁束線が、前記同調可能フィルタのうちの前記個々の１つを同調させることに寄与する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
複数の磁力源を提供することであって、前記複数の磁力源のうちの個々の１つが、前記同調可能フィルタのうちの個々の１つを１対１ベースで同調させるようにする、前記提供すること、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記同調可能フィルタが、超伝導材料を備えた、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数のポートのうちの任意のポートが、前記複数のポートのうちの他の任意のポートに信号を伝送するように構成された、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のポートのうちの前記任意のポートのための前記同調可能フィルタのうちの前記対応する同調可能フィルタと、前記複数のポートのうちの前記他の任意のポートのための前記同調可能フィルタのうちの前記対応する同調可能フィルタとは、両方とも、前記信号を伝送するように調整されるように構成される一方、前記同調可能フィルタのうちの他のすべての同調可能フィルタは、前記信号を遮断するように調整されるように構成された、請求項１１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、より詳細には、量子情報処理のための同調可能フィルタ（tunable filter）に基づく無損失マイクロ波スイッチ（lossless microwave switch）、またはルータ、あるいはその両方に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線周波数（ＲＦ）およびマイクロ波スイッチは、伝送経路を介して高周波信号を経路付けるためのデバイスである。ＲＦおよびマイクロ波スイッチは、機器とデバイスとの間の信号経路付けのためにマイクロ波テストシステムにおいて広く使用されている。スイッチをスイッチ・マトリクス・システム（switch matrix system）に組み込むことで、多数の機器からの信号を、単一または多数のデバイスに経路付けることができる。電気的なスイッチと同様に、ＲＦおよびマイクロ波スイッチは異なる構成になっており、多くの異なる用途に合わせて、複雑なマトリクスや自動テストシステムを作成するための柔軟性を提供する。
【０００３】
物理学およびコンピュータ科学において、量子情報は、量子システムの状態で保持される情報である。量子情報は、量子情報理論における研究の基本的実体であり、量子情報処理として知られる工学技術を使用して取り扱われ得る。古典的な情報がデジタルコンピュータで処理され、場所から場所へ伝送され、アルゴリズムを用いて取り扱われ、そしてコンピュータ科学の数学を用いて分析されるのと同様に、類似の概念が量子情報にも適合する。超伝導量子ビットのような量子システムは、特にマイクロ波領域および赤外線領域において、電磁ノイズに非常に感度が高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、量子情報処理のための同調可能フィルタに基づく無損失マイクロ波スイッチを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つまたは複数の実施形態によれば、無損失マイクロ波スイッチが提供される。無損失マイクロ波スイッチは、複数のポートと、同調可能フィルタとを含む。複数のポートのおのおのは、同調可能フィルタのうちの対応する１つに動作可能に結合されている。
【０００６】
１つまたは複数の実施形態によれば、無損失マイクロ波スイッチを構成する方法が提供される。この方法は、複数のポートを提供することと、同調可能フィルタを提供することとを含む。複数のポートのおのおのは、同調可能フィルタのうちの対応する１つに動作可能に結合されている。
【０００７】
１つまたは複数の実施形態によれば、無損失マイクロ波スイッチが提供される。無損失マイクロ波スイッチは、複数のポートと、同調可能フィルタとを含む。複数のポートのおのおのは、同調可能フィルタのうちの１つに関連付けられている。同調可能フィルタのおのおのは、超伝導量子干渉デバイスを含む。
【０００８】
１つまたは複数の実施形態によれば、無損失マイクロ波スイッチが提供される。無損失マイクロ波スイッチは、ノードと、ノードに接続された同調可能フィルタとを含む。同調可能フィルタは、信号を伝送するための第１の状態に独立して調整され、信号を遮断するための第２の状態に独立して調整されるように構成され、同調可能フィルタのうちの任意の同調可能フィルタが、ノードを介して、同調可能フィルタのうちの他の任意の同調可能フィルタに信号を伝送するように構成されるようにしている。
【０００９】
１つまたは複数の実施形態によれば、無損失マイクロ波スイッチが提供される。無損失マイクロ波スイッチは、複数のポートを含む。複数のポートのうちの第１の対は、その間に接続された同調可能フィルタを有し、同調可能フィルタは、マイクロ波信号を伝送するように構成されている。複数のポートのうちの第２の対は、その間に接続された別の同調可能フィルタを有し、この別の同調可能フィルタは、マイクロ波信号を反射するように構成されている。
【００１０】
本発明を他の態様から考察すると、複数のポートと、同調可能フィルタとを備えた無損失マイクロ波スイッチが提供され、複数のポートのおのおのは、同調可能フィルタのうちの１つに関連付けられ、同調可能フィルタのおのおのは、超伝導量子干渉デバイスを含む。
【００１１】
同調可能フィルタは、低域通過フィルタ（low-pass filter）であり得る。あるいは、同調可能フィルタは、高域通過フィルタ（high-pass filter）であり得る。
【００１２】
本発明をさらに別の態様から考察すると、ノードと、ノードに接続された同調可能フィルタとを備えた無損失マイクロ波スイッチが提供され、同調可能フィルタは、信号を伝送するための第１の状態に独立して調整され、信号を遮断するための第２の状態に独立して調整されるように構成されており、同調可能フィルタのうちの任意の同調可能フィルタが、ノードを介して、同調可能フィルタのうちの他の任意の同調可能フィルタに信号を伝送するように構成されるようにしている。
【００１３】
好適には、同調可能フィルタのうちの任意の同調可能フィルタと、同調可能フィルタのうちの他の任意の同調可能フィルタとの両方が、第１の状態にあるように構成される一方、同調可能フィルタのうちの残りすべての同調可能フィルタが、第２の状態にあるように構成され、これによって、ノードを介して、同調可能フィルタのうちの任意の同調可能フィルタから、同調可能フィルタのうちの他の任意の同調可能フィルタへ信号が伝送されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を具体化する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図２】図１における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータのブロック図である。
【図３】動作モードとして伝送を例示する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図４】動作モードとして反射を例示する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図５】本発明を具体化する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図６】図５における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータのブロック図である。
【図７】本発明を具体化する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図８】本発明を具体化する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図９】本発明を具体化するＮポート超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図１０】本発明を具体化する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを構成する方法のフローチャートである。
【図１１】本発明を具体化する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを構成する方法のフローチャートである。
【図１２】本発明を具体化する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを構成する方法のフローチャートである。
【図１３】本発明を具体化する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ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】
【００１５】
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。本書面の範囲から逸脱することなく、本発明の代替実施形態が考案され得る。以下の説明および図面において、様々な接続および位置関係（たとえば、上、下、隣接等）が要素間で記述されてい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、別段の指定がない限り、直接的または間接的であり得、この観点において限定することは意図されていない。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称することができ、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になり得る。間接的な位置関係の一例として、層「Ｂ」上に層「Ａ」を形成することに対する参照は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連する特性および機能が、中間層によって実質的に変化されない限り、１つまたは複数の中間層（たとえば、層「Ｃ」）が、層「Ａ」と層「Ｂ」との間にある状況を含む。
【００１６】
本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、超伝導（または無損失）マイクロ波スイッチ／ルータにより、回路の異なるノード間または異なるポート間で、オンデマンドで量子信号を経路付けることができる。超伝導マイクロ波スイッチは、量子情報処理の分野において多くのアプリケーションを有することができる。たとえば、超伝導マイクロ波スイッチは、時間多重化読出、時間多重化駆動（たとえば、交差−共振駆動（cross-resonance drive））、いくつかのデバイスの時間多重化特徴付け、量子システム対間の時間多重化相互作用、時間依存信号循環等のために利用され得る。
【００１７】
本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、１つの入力ポートおよびＮ個の出力ポートを有することができる超伝導マイクロ波スイッチが提供される。また、超伝導マイクロ波スイッチは、１つの出力ポートおよびＮ個の入力ポートを有することができる。超伝導マイクロ波デバイスのポートのおのおのは、同じ特性インピーダンスＺ０を有するように設計されている。１つの実施態様では、各入力−出力対は、印加された磁束を使用して、その場で（in-situ）カットオフ周波数が同調され得る同調可能低域通過フィルタ（tunable low-pass filter）を介して接続されている。同調可能低域通過フィルタは、直列誘導素子（たとえば、直流（ＤＣ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ））および分路容量素子（たとえば、ランプ素子キャパシタ（lumped-element capacitor））のラダー（ladder）を使用して実施され得る。別の実施態様では、各入力−出力対は、印加された磁束を使用して、その場でカットオフ周波数が同調され得る同調可能高域通過フィルタを介して接続され、同調可能高域通過フィルタは、直列容量素子（たとえば、ランプ素子キャパシタ）および分路誘電素子（shunt inductive element）（たとえば、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ）を使用して実施され得る。
【００１８】
ここで、図面に目を向けると、図１は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図１は、同調可能フィルタ２０に基づく超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００のブロックを構築することを例示している。この例では、同調可能フィルタ２０は、同調可能低域通過フィルタ（ＴＬＰＦ）である。しかしながら、本発明の実施形態は、以下でさらに論じられるように、低域通過フィルタに限定されないことが認識されるべきである。
【００１９】
この例では、マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、たとえば、ポート１およびポート２のようなポート１０を含む。ポート１０は、入出力ポートである。同調可能フィルタ２０は、１つまたは複数の単位セル６０を含む。各単位セル６０は、可変誘導素子（variable inductor）Ｌ１（および、他の例は、以下でさらに論じられるＬ２、Ｌ３およびＤＣ−ＳＱＵＩＤを含む）として指定された可変インダクタ４０を含み、各単位セル６０は、容量素子Ｃとして指定されたキャパシタ５０を含む。各単位セル６０において、可変インダクタＬ１４０はポート１０と直列に接続され、キャパシタＣ５０は、可変インダクタ４０の一端およびグランドに接続されている。合計でＮ個の単位セルのために、同調可能フィルタ２０では、Ｎ個の単位セル６０が繰り返され、ともに（直列に）接続されている。Ｎ個の単位セルのために、インダクタＬ１４０が直列に接続され、各インダクタＬ１４０は、それぞれのキャパシタ５０によってグランドへ分路される。ポート１０、可変インダクタＬ１４０、およびキャパシタＣ５０の相互接続は、伝送線３０による。伝送線３０は、マイクロ波信号をポート１から同調可能フィルタ２０を介してポート２に、またはその逆に搬送するための超伝導ワイヤまたは導波管として作用する。同軸ケーブルは、ポート１０の外部端に接続され、一方の同軸ケーブルが、マイクロ波信号を入力し、他方の同軸ケーブルが、マイクロ波信号を出力することができる。伝送線３０は、ストリップ線、マイクロストリップ等であり得る。可変インダクタ４０、キャパシタ５０、および伝送線３０は、超伝導材料製である。（たとえば、約１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）、または約４Ｋのような低温における）超伝導材料の例は、ニオブ、アルミニウム、タンタル等を含む。
【００２０】
図２は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがう図１における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００のブロック図である。図２は、同調可能フィルタ２０の内部詳細を描写していない図１に等価な回路である。
【００２１】
超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を通って伝送されるマイクロ波信号は、中心角周波数ω０を有すると仮定され得る。インピーダンス指定Ｚ０は、（入力ポートおよび出力ポートまたはその逆であり得る）ポート１およびポート２における特性インピーダンスである。たとえば、特性インピーダンスＺ０は、各ポートにおいて５０オーム（Ω）であり得る。
【００２２】
個々の単位セル６０について、インピーダンスはＺ１であり、ここで、
【数１】
2019533303.tif 000003
であり、単位セル６０の角周波数ω１は
【数２】
2019533303.tif 000004
である。ωＣとして示される同調可能フィルタ２０のカットオフ角周波数は、単位セル６０（または、ともに追加された多数の単位セル）の角共振周波数ω１のオーダであり、ω１に相関付けられ、ωＣは、ω１とともに増加および減少することを意味する。ωＣの、ω１に対する、および、単位セルの数Ｎに対する正確な依存性は、マイクロ波シミュレーションまたは計算によって見出され得る。このことから、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣは、（１つまたは複数の単位セル６０について）可変インダクタＬ１４０およびキャパシタＣ５０の値に依存することになる。特に、可変インダクタＬ１４０のインダクタンスは、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣを制御することにより、同調可能フィルタ２０がマイクロ波信号（中心角周波数ω０）に対して伝送または反射で動作する場合を制御する。可変インダクタＬ１４０のインダクタンスは、カットオフ周波数ωＣと逆の関係を有する。たとえば、可変インダクタＬ１４０のインダクタンスが増加されると、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣが減少される。逆に、可変インダクタＬ１４０のインダクタンスが減少されると、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣが増加される。単位セルのインダクタンスを変動させることは、フィルタのカットオフ周波数を変化させるのみならず、その特性インピーダンスをも変化させることに留意されたい。したがって、スイッチが閉じられている場合、すなわち伝送モードで動作しているときに、Ｚ１すなわちフィルタの特性インピーダンスが、ポートの特性インピーダンスと、可能な限り整合することが望ましい場合がある。
【００２３】
したがって、閉じたスイッチとして動作する場合、超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、同調可能フィルタ２０における可変インダクタＬ１４０のインダクタンスを減少させることによって、ポート１からポート２（またはその逆）への伝送において、マイクロ波信号（中心角周波数ω０）を通過させるように制御される。これによって、マイクロ波信号（中心角周波数ω０）が、同調可能フィルタ２０の低域通過帯域に収まるようになる。開かれたスイッチとして動作する場合、超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、同調可能フィルタ２０における可変インダクタＬ１４０のインダクタンスを増加させることによって、反射を使用して、ポート１からポート２（またはその逆）へのマイクロ波信号（中心角周波数ω０）の伝送を遮断するように制御される。これによって、マイクロ波信号（中心角周波数ω０）は、低域通過帯域の外となり、減衰される、言い換えれば、反射されるようになる。
【００２４】
図３は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがって、動作モードとして伝送を例示する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図３では、同調可能フィルタ２０は、デバイスポートを通過して到来するマイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣよりも小さく、すなわちω０＜ωＣとなるように調整される。この動作モードでは、マイクロ波信号３０５の周波数は、同調可能低域通過フィルタ２０のカットオフ周波数よりも小さいため、同調可能フィルタ２０は伝送で動作するように構成されている。この条件では、マイクロ波信号３０５が、ポート１から同調可能フィルタ２０を介してポート２へ伝送され、マイクロ波信号３０５が、所望通りに出力されるようになる。
【００２５】
図４は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがって、動作モードとして反射を例示する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図４では、同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣよりも高く、すなわち、ω０＞ωＣとなるように調整される。この動作モードでは、マイクロ波信号３０５の周波数が、同調可能低域通過フィルタ２０のカットオフ周波数よりも高いため、同調可能フィルタ２０は反射で動作するように構成されている。この条件では、マイクロ波信号３０５がポート１から入ると、同調可能フィルタ２０がマイクロ波信号３０５を反射するので、マイクロ波信号３０５はポート２への通過を遮断され、マイクロ波信号３０５は、ポート１からポート２へ通過することはできない。
【００２６】
図５は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図６は、図５における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００のブロック図である。図６は、同調可能フィルタ２０の内部詳細が描写されていない図５に等価の回路であり、図５および図６は、図５および図６が２つのポートの代わりに、３つのポートに拡張されていることを除いて、図１および図２に類似している。超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、必要に応じてＮ個のポートへ拡張され得ることが理解される。
【００２７】
図５および図６に描写される構成では、２つの同調可能フィルタ２０が存在する。一方の同調可能フィルタ２０は、ポート１とポート２との間に接続され、他方の同調可能フィルタ２０は、ポート１とポート３との間に接続されている。同調可能フィルタ２０のおのおのは、上述したように、１つまたは複数の単位セル６０から形成される。説明目的のために、１つまたは複数の可変インダクタ４０は、ポート１とポート２との間に接続された同調可能フィルタ２０におけるＬ２として識別され、１つまたは複数の可変インダクタ４０は、ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０におけるＬ３として識別される。ポート１とポート２との間、および、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は、それぞれ、一方が伝送で、他方が反射で動作するように個々に制御される。
【００２８】
ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０は、１つまたは複数の単位セル６０を含む。各単位セル６０は、可変インダクタＬ２４０およびキャパシタ５０を含む。各単位セル６０において、可変インダクタＬ２４０は、ポート１およびポート２に直列に接続され、キャパシタＣ５０は、可変インダクタ４０の一端へ、および、グランドへ接続されている。ポート１とポート２との間の合計Ｎ個の単位セルのために、同調可能フィルタ２０では、Ｎ個の単位セル６０が繰り返され、ともに接続されている。ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０について、各単位セルのインピーダンスはＺ２であり、ここで
【数３】
2019533303.tif 000005
であり、角周波数はω２であり、ここで
【数４】
2019533303.tif 000006
である。
【００２９】
同様に、ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０は、１つまたは複数の単位セル６０を含む。各単位セル６０は、可変インダクタＬ３４０およびキャパシタ５０を含む。各単位セル６０において、可変インダクタＬ３４０は、ポート１およびポート３に直列に接続され、キャパシタＣ５０は、可変インダクタＬ３４０の一端へ、および、グランドへ接続されている。ポート１とポート３との間の合計Ｎ個の単位セルのために、同調可能フィルタ２０では、Ｎ個の単位セル６０が繰り返され、ともに接続され得る。ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０について、各単位セルのインピーダンスはＺ３であり、ここで
【数５】
2019533303.tif 000007
であり、角周波数はω３であり、ここで
【数６】
2019533303.tif 000008
である。
【００３０】
追加のポートおよび同調可能フィルタが、必要に応じて同様に追加され得ることが認識されるべきである。
【００３１】
図２では、単一の同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数が、上記においてωＣとして指定された。図５および図６では、２つ以上の同調可能フィルタ２０が備えられているので、ポート１とポート２との間に接続された同調可能フィルタ２０は、カットオフ周波数ωＣ２として指定され、ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０は、カットオフ周波数ωＣ３として指定される。
【００３２】
ポート１からポート２（またはその逆）、または、ポート１とポート２との間、あるいはその両方の伝送におけるマイクロ波信号３０５の動作のために、ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣ２よりも低くなるように調整され、一方ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、ポート１とポート３との間のカットオフ周波数ωＣ３よりもはるかに高くなる、すなわち、ωＣ３＜＜ω０＜ωＣ２となるように調整される。この動作モードでは、マイクロ波信号３０５（ω０）が、カットオフ周波数ωＣ２よりも低いため、ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０は、伝送で動作するように構成されているので、必要に応じてマイクロ波信号３０５が出力されるように、マイクロ波信号３０５は、ポート１から同調可能フィルタ２０を介してポート２へ伝送される。同時に、ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５（ω０）がカットオフ周波数（ωＣ３）よりも高いので、反射で動作するように構成されており、そのためマイクロ波信号３０５は、ポート１とポート３との間の通過を遮断される。ポート１からポート２（またはその逆）への伝送のための追加条件は、インピーダンス整合のためのＺ２≒Ｚ０を含む。ポート１およびポート３からの、または、ポート１とポート３との間、あるいはその両方の反射のための追加条件は、Ｚ３＞＞Ｚ０を含む。
【００３３】
一方、ポート１からポート３（またはその逆）、または、ポート１とポート３との間、あるいはその両方の伝送におけるマイクロ波信号３０５の動作のために、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣ３よりも小さくなるように調整され、一方ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、ポート１とポート２との間のカットオフ周波数ωＣ２よりもはるかに大きくなる、すなわち、ωＣ２＜＜ω０＜ωＣ３となるように調整される。この動作モードでは、マイクロ波信号３０５（ω０）が、カットオフ周波数ωＣ３よりも小さいため、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は伝送で動作するように構成されているので、必要に応じてマイクロ波信号３０５が出力されるように、マイクロ波信号３０５は、ポート１から同調可能フィルタ２０を介してポート３へ伝送される。同時に、ポート１とポート２との間に接続された同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５（ω０）がカットオフ周波数（ωＣ２）よりも高いので、反射で動作するように構成されており、そのためマイクロ波信号３０５は、この例では、ポート１とポート２との間の通過を遮断される。ポート１からポート３（またはその逆）への伝送のための追加条件は、インピーダンス整合のためのＺ３≒Ｚ０を含む。ポート１およびポート２からの、または、ポート１とポート２との間の、あるいはその両方の反射のための追加条件は、Ｚ２＞＞Ｚ０を含む。
【００３４】
図７は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図７は、図７が直流（ＤＣ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を利用した無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を実施していることを除いて図５および図６に類似している。図７では、（上述した）可変インダクタ４０のおのおのは、同調可能フィルタ２０において（可変）ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５として実施される。図７における同調可能フィルタ２０は、上述したように同調可能フィルタ２０のおのおのに対して伝送および反射で動作するように構成されていることに留意されたい。また、超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、必要に応じてＮ個のポートへ拡張され得ることが理解される。
【００３５】
図７に描写される構成では、２つの同調可能フィルタ２０および３つのポート１０が描写されているが、より多くのポート１０および同調可能フィルタ２０が同様に追加され得る。一方の同調可能フィルタ２０は、ポート１とポート２との間に接続され、他方の同調可能フィルタ２０は、ポート１とポート３との間に接続されている。同調可能フィルタ２０のおのおのは、本明細書で論じられるように、１つまたは複数の単位セル６０から形成される。
【００３６】
ポート１とポート２との間に接続された同調可能フィルタ２０の場合、各単位セル６０は、１つまたは複数のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２を含む。単位セル６０において、キャパシタＣ５０は、１つまたは複数のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２を、グランドへ接続／分路する。２つ以上のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２が単位セル６０内で利用される場合、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２はともに直列に接続される。単位セル当たり合計してＭ個のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２が存在し、Ｍは１以上の整数である。ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０は、各単位セル６０がポート１およびポート２に直列に接続され、キャパシタＣ５０がＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２の一端に、およびグランドに接続されるように、１つまたは複数の単位セル６０を含む。ポート１とポート２との間の合計Ｎ個の単位セルのために、同調可能フィルタ２０では、Ｎ個の単位セル６０が繰り返され、ともに直列に接続され得、Ｎは、１以上の整数である。ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０について、各単位セルのインピーダンスは、Ｚ２であり、ここで
【数７】
2019533303.tif 000009
であり、角周波数はω２であり、ここで
【数８】
2019533303.tif 000010
である。各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２は、インダクタンスを有し、または、Ｌ２と指定された誘導素子であるか、あるいはその両方であることに留意されたい。
【００３７】
ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０のために、各単位セル６０は、１つまたは複数のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３を含む。単位セル６０において、キャパシタＣ５０は、１つまたは複数のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３を、グランドへ接続／分路する。２つ以上のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３が単位セル６０内で利用される場合、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３は、ともに直列に接続される。
【００３８】
単位セル当たり合計してＭ個のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３が存在し、Ｍは１以上の整数である。ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は、各単位セル６０がポート１およびポート３と直列に接続され、キャパシタＣ５０が、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３の一端に、およびグランドに接続されるように、１つまたは複数の単位セル６０を含む。ポート１とポート３との間の合計Ｎ個の単位セルのために、同調可能フィルタ２０では、Ｎ個の単位セル６０が繰り返され、ともに接続され得、Ｎは１以上の整数である。ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０について、各単位セルのインピーダンスはＺ３であり、ここで
【数９】
2019533303.tif 000011
であり、角周波数はω３であり、ここで
【数１０】
2019533303.tif 000012
である。各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３は、インダクタンスを有し、または、Ｌ３と指定された誘導素子である、あるいはその両方であることに留意されたい。
【００３９】
ここで、ＤＣ−ＳＱＵＩＤに関するさらなる情報が、以下に提供される。ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉デバイス）は、当業者に周知のタイプの超伝導電子デバイスである。特に、ＤＣ−ＳＱＵＩＤとして知られるタイプのＳＱＵＩＤは、２つ以上のジョセフソン接合（ＪＪ）７１０によって割り込まれた超伝導ワイヤ、超伝導薄膜金属、または他の超伝導材料から形成されるループを含む。ＳＱＵＩＤは、電流搬送ループ内に２つ以上のジョセフソン接合７１０を含む。当業者によって広く理解されるように、超伝導電流の量子干渉の原理によって、ＳＱＵＩＤ内のジョセフソン接合の、結合されたジョセフソン臨界電流は、ＳＱＵＩＤループを貫通する磁束に依存して変化する。同様に、ＳＱＵＩＤのジョセフソン接合によって示されるジョセフソンインダクタンスも、このような磁束（各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２の磁束Φ２、および各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３の磁束Φ３）に依存して異なる。さらに、ＳＱＵＩＤのアレイは、それらのインダクタンスを結合するように電気回路内に配置され得る。面内ループの磁束は、磁場がループに対して垂直な軸に対してなす角度の余弦を乗じられ、ループの全領域にわたって積分された、ループ内の磁場を含む、良く知られた、明確に定義された量を表すことが指定されている。したがって、ＳＱＵＩＤは、その近傍の磁場の大きさおよび方向の両方に対して非常に感度が高い（たとえば、磁束線７３０＿２は磁場を生成し、これによって磁束Φ２を各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２に対して発生させ、磁束線７３０＿３は磁場を生成し、これによって磁束Φ３を各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３に対して発生させる）。ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２および７０５＿３は、それぞれ、磁束線７３０＿２、磁束線７３０＿３によって生成されたそれぞれの磁場からの磁束Φ２、磁束Φ３を受け、これによって、そのジョセフソンインダクタンス（ジョセフソンインダクタンスは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２に関するＬＪ２と、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３に関するＬＪ３とが指定される）が変更される。当業者に対して、磁場に対するこの感度は、ＳＱＵＩＤのジョセフソンインダクタンスの変化が回路の特性の有用な変化を発生させるという点で、電気回路における有用な構成要素としてＳＱＵＩＤを適用することを可能にする。ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２および７０５＿３のインダクタンスＬ２およびＬ３は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２のジョセフソンインダクタンスＬＪ２およびＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３のＬＪ３にそれぞれ対応する。ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２および７０５＿３のインダクタンスＬ２およびＬ３を独立して変更／制御（増加または減少）するために、磁束線７３０＿２および７３０＿３が提供される。磁束線は、一般に、磁束線７３０と称され得る。磁束線７３０＿２および７３０＿３は、ＳＱＵＩＤの「動作点」を設定するために、それぞれのＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２および７０５＿３のＳＱＵＩＤループに直交する磁気「バイアス」場を独立して印加する。磁束線７３０＿２は、磁気バイアス束Φ２を必要に応じて変化させる磁場を生成する電流Ｉ２を有する。同様に、磁束線７３０＿３は、磁気バイアス束Φ３を必要に応じて変化させる磁場を��成する電流Ｉ３を有する。したがって、ポート１とポート２、および、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は、それぞれ一方が伝送で、他方が反射で動作するように個々に制御される。
【００４０】
ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０の（単位セル６０当たりの）インダクタンスＬ２は、Ｌ２≒ＭＬＪ２＋ＬＳとして定義され得、ここで、Ｍは、単位セル内のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２の数であり、ＬＪ２は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤのジョセフソン接合インダクタンスであり、ＬＳは、各単位セルの伝送線３０（ワイヤ）の直列インダクタンスである。各単位セル６０のインダクタンスＬ２は、主にジョセフソン接合インダクタンスＬＪ２に基づく。したがって、ジョセフソン接合インダクタンスＬＪ２は、（伝送線３０（ワイヤ）の直列インダクタンスＬＳなしで）、以下のように定義される。ジョセフソン接合インダクタンス
【数１１】
2019533303.tif 000013
ここで
【数１２】
2019533303.tif 000014
であり、Ｉ０は各ジョセフソン接合７１０の臨界電流であり、Φ２はループを貫通する磁束バイアスであり、
【数１３】
2019533303.tif 000015
（超伝導磁束量子）であり、ここで、ｈはプランクの定数であり、ｅは電荷である。
【００４１】
同様に、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０の（単位セル６０当たりの）インダクタンスＬ３は、Ｌ３≒ＭＬＪ３＋ＬＳとして定義され得、ここで、Ｍは、単位セル内のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３の数であり、ＬＪ３は、ジョセフソン接合インダクタンスであり、ＬＳは、各単位セルの伝送線３０（ワイヤ）の直列インダクタンスである。各単位セル６０のインダクタンスＬ３は、主にジョセフソン接合インダクタンスＬＪ３に基づく。したがって、ジョセフソン接合インダクタンスＬＪ３は、（伝送線３０（ワイヤ）の直列インダクタンスＬＳなしで）、以下のように定義される。ジョセフソン接合インダクタンス
【数１４】
2019533303.tif 000016
ここで
【数１５】
2019533303.tif 000017
であり、Ｉ０は、（２つの）ジョセフソン接合７１０の臨界電流であり、Φ３はループを貫通する磁束バイアスであり、
【数１６】
2019533303.tif 000018
（超伝導磁束量子）であり、ここで、ｈはプランクの定数であり、ｅは電荷である。この解析において、実験は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤが、小さなループを有し、ＤＣ−ＳＱＵＩＤループの自己インダクタンスが、ＤＣ−ＳＱＵＩＤのジョセフソンインダクタンスに比べて無視できると仮定している。
【００４２】
なお、インダクタンスＬ２は、ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０における伝送線と直列に接続されたＮ個の単位セル（Ｎ≧１）のうちの１つの単位セル６０のインダクタンスであり、同様に、インダクタンスＬ３は、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０における伝送線と直列に接続されたＮ個の単位セル（Ｎ≧１）のうちの１つの単位セル６０のインダクタンスであることに留意されたい。
【００４３】
本明細書で論じられる同調可能フィルタ設計は、各単位セル内の誘導素子および容量素子に関して同一の単位セルに限定されないことが、当業者によって理解されるべきである。理解の簡略化および容易化のために、同一の単位セル画像が、主にここに提示される。実際、マイクロ波フィルタ理論に基づいて単位セルを変化させることは有利となり得、フィルタ応答におけるリップルの最大振幅、フィルタの平坦度、フィルタ帯域幅、帯域内および帯域外における反射量、停止帯域における減衰量等に関するより良好なパフォーマンスをもたらす。したがって、上述した利点のうちのいずれかまたはより多くを適用するために、１つまたは複数の実施形態において、単位セルは、同一であっても、異なっていてもよいことが認識されるべきである。
【００４４】
理解されるように、超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、１つの構成において、１つの入力ポートおよびＮ個の出力ポートを有することができ、または、別の構成において、１つの出力ポートおよびＮ個の入力ポートを有することができ、あるいはその両方であり得る。デバイスのすべてのポート１０は、同じ特性インピーダンスＺ０を有する。各入力−出力対は、印加された磁束を使用して、その場でカットオフ周波数が調整され得る同調可能低域通過フィルタを介して接続されている。同調可能低域通過フィルタ２０は、誘導素子（ＤＣ−ＳＱＵＩＤ）および容量素子（ランプ素子キャパシタ）のラダーを使用して実施され得る。
【００４５】
磁束線７３０＿２および７３０＿３にそれぞれ印加されるＤＣ電流Ｉ２およびＩ３を制御することによって、各鎖のインダクタンスＬ２およびＬ３を決定する磁気バイアス束Φ２およびΦ３を独立して設定することができる。これは、一方の経路（ポート１とポート２との間）が伝送であり、他方の経路（ポート１とポート３との間）が反射となる、あるいはその逆になるように、（マイクロ波信号３０５の）ω０に対して、２つの同調可能フィルタ２０のカットオフ角周波数ωＣ２、ωＣ３を調整する。
【００４６】
（ポート１とポート２との間、または、ポート３とポート４との間の）いずれかの同調可能フィルタ２０のために反射で動作させる（すなわち、マイクロ波信号３０５を遮断させる）ために、ＤＣ電流Ｉ２、Ｉ３を増加させて、磁気バイアス束Φ２、Φ３を（コサインの１周期内で）増加させる。これはその後、インダクタンスＬ２、Ｌ３を増加させ、これによって、カットオフ角周波数ωＣ２、ωＣ３を減少させる。反対に、（ポート１とポート２との間、または、ポート３とポート４との間の）いずれかの同調可能フィルタ２０のために伝送で動作させる（すなわち、マイクロ波信号３０５を通過させる）ために、ＤＣ電流Ｉ２、Ｉ３を減少させて、磁気バイアス束Φ２、Φ３を（コサインの１周期内で）減少させる。これはその後、インダクタンスＬ２、Ｌ３を減少させ、これによって、カットオフ角周波数ωＣ２、ωＣ３を増加させる。
【００４７】
ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５、キャパシタ５０（キャパシタ内の誘電体材料を除く）、磁束線７３０、伝送線３０、およびジョセフソン接合７１０は、超伝導材料製である。繰り返すが、（約１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）、または約４Ｋのような低温における）超伝導材料の例は、ニオブ、アルミニウム、タンタル等を含む。ジョセフソン接合は、たとえば、酸化アルミニウム、酸化ニオブ等の薄い絶縁体を挟んだ２つの超伝導金属から形成された非線形素子である。
【００４８】
図８は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図８は、この実施において、同調可能フィルタ２０が同調可能高域通過フィルタであることを除いて、図１〜図７に類似している。同調可能フィルタ２０として高域通過フィルタを有することにより、誘導素子４０、７０５は、容量素子５０と置き換えられる。したがって、容量素子５０は、ポート１とポート２との間、およびポート１とポート３との間に直列とされる一方、誘導素子４０、７０５（インダクタまたはＤＣ−ＳＱＵＩＤ）は、容量素子５０の一端へ接続され、そして、グランドへ接続されている。ポート１からポート２（またはその逆）の伝送のために、以下の条件、ωＣ２＜ω０＜＜ωＣ３が適合する。ポート１からポート３（またはその逆）の伝送のために、以下の条件、ωＣ３＜ω０＜＜ωＣ２が適合する。
【００４９】
次に、図９を参照する。図９は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがうＮポート超伝導マイクロ波ルータ１００の概略図である。Ｎポート超伝導マイクロ波ルータ１００は、関連するフィルタを適切な磁束バイアスポイントへ束付勢する関連する磁束線への電流パルスを使用して、その場で、ポート１０の任意の対の間で形成された接続が存在するように一般化／設計される。たとえば、マイクロ波信号３０５がポート１０に到達する瞬間（または、ほぼその瞬間）に、マイクロ波信号３０５を伝送するためにポート１０の任意の対の間で接続がなされ得る一方、他のすべてのポート１０は、（それぞれの同調可能フィルタ２０を経由して）マイクロ波信号３０５を遮断する。したがって、マイクロ波信号３０５は、本明細書で論じられる原理にしたがって、ポート１０の任意の対の間に経路付けられ得る。
【００５０】
Ｎポート超伝導マイクロ波ルータ１００は、ポート１、ポートＩ、ポートＪ乃至ポートＮを含む。ポート１〜Ｎのおのおのは、個々のポート１０が、ノード９０５に接続する同調可能フィルタ２０に接続するように、それ自身の同調可能低域通過フィルタ２０を有する。図１〜図８において広範に上述された特徴は、図９に適合し、説明の簡潔のため、および、図９を不明瞭にすることを避けるために、繰り返されない。すべてのポート１〜Ｎは対称性があり、同じ立場にある（これは、上述した超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００とは異なる）。同じ立場にあることは、ノード９０５が、すべてのポート１〜Ｎを接続する中心接続であり、各ポート１０が、それ自身の同調可能フィルタ２０を有し、各同調可能フィルタ２０が、そのカットオフ周波数を調整するための自身の磁束線（ＦＬ）を有することを意味する。
【００５１】
一例として、ポートＮからポートＩへマイクロ波信号３０５を経路付けるために、ポートＮとノード９０５との間、およびポートＩとノード９０５との間の両方の同調可能フィルタ２０が、伝送となるように調整される必要があり、同時に、残りすべての同調可能フィルタ２０が、反射となるように調整される。これによって、マイクロ波信号３０５は、ポートＮからその同調可能フィルタ２０へ、ノード９０５へ、ポートＩに接続された同調可能フィルタ２０へと伝送され、その後、ポートＩへ伝送される。
【００５２】
ノード９０５に関して、いくつかの技術的詳細が論じられる。一般に、ノード９０５は、２つの理由により、できるだけ小さく、理想的には、デバイス動作において使用される波長に関してまとめられるべきである。１）経路付けられた信号の伝送を制限し得る反射を最小限に抑える。２）ノード９０５へ多数の伝送線を接続することを可能にする。さらに、多数の伝送線を共通ノード９０５に接続する能力は、高インピーダンス（非常に狭い）ワイヤを使用することを要求し得る。その結果、１つの実施において、フィルタが（反射を最小にするために）伝送で動作している場合、接続している線のインピーダンスに整合する特性インピーダンスを有する同調可能フィルタを設計することを必要とし得る。最後に、同調可能フィルタの特性インピーダンスが、デバイスポートの特性インピーダンスと異なる場合、（伝搬信号のためのスムーズな伝送を可能にするために）特定の整合ネットワークが設計され、フィルタとデバイスとの間に組み込まれ得る。
【００５３】
図１０は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがう無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を構成する方法のフローチャート１０００である。本明細書で論じられる図１〜図９に対する参照がなされ得る。
【００５４】
ブロック１００５において、複数のポート１０が提供される。ブロック１０１０において、同調可能フィルタ２０が提供され、ポート１０に接続され、複数のポート１０のおのおのが、同調可能フィルタ２０の対応する同調可能フィルタを有するようになる。
【００５５】
同調可能フィルタ２０は、ノード９０５（導電性接続点）に接続している。複数の磁束線（ＦＬ）７３０が提供され、複数の磁束線７３０の個々の１つが、同調可能フィルタ２０の個々の１つを１対１ベースで同調させるようになる。（磁束線、電流伝送線、同調可能磁石のような）複数の磁力源が提供され、複数の磁力源の個々の１つが、同調可能フィルタ２０の個々の１つを、１対１ベースで同調させることができる。１つの同調可能フィルタを制御する１つの磁束線のこの画像は、単純化され得ることに留意されたい。これは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの応答／インダクタンスが、そのループを貫通する全磁束によって決定され、したがって、他の磁束線の電流のあらゆる変化が、原理的に、ＤＣ−ＳＱＵＩＤが受ける磁束バイアスを変更でき得るからである。もちろん、他の磁束線による誘導磁束は、他の磁束線とＤＣ−ＳＱＵＩＤとの間の距離に応じて大幅に低下するので、それらの距離を十分に離しておくことで、実験者はその寄与を大幅に低減することができる。それにも関わらず、１つのフィルタの磁束バイアスを調整するために、近くの磁束線に流れる電流に多くの変化を加えて、電流が様々な制御されたフィルタにおいて所望の磁束バイアスを生じさせるような１つまたは複数のシナリオが存在し得る。
【００５６】
同調可能フィルタ２０は、超伝導材料を含む。超伝導温度（たとえば、１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）、または４Ｋ）における例示的な超伝導材料は、ニオブ、アルミニウム、タンタル等を含み得る。
【００５７】
同調可能フィルタ２０は、同調可能無損失低域通過フィルタ（lossless low-pass filter）であり得る。複数のポート１０のうちの任意のポート（たとえば、ポート１）は、複数のポート１０のうちの他の任意のポート（ポート２）にマイクロ波信号３０５を伝送するように構成されている。複数のポート１０のうちの任意のポートのための同調可能フィルタ２０のうちの対応する同調可能フィルタと、複数のポート１０のうちの他の任意のポートのための同調可能フィルタ２０のうちの対応する同調可能フィルタとは、両方とも、信号３０５を伝送する（すなわち、伝送状態にある）ように調整されるように構成される一方、同調可能フィルタ２０のうちの他のすべての同調可能フィルタは、信号を遮断するように調整されるように構成されている。無損失低域通過フィルタのおのおのは、伝送線の中心導体と直列に接続され、キャパシタによってグランドへ分路された１つまたは複数のＤＣ  ＳＱＵＩＤを含む。同軸ケーブルのような伝送線は、中心導体および外周導体を有することが認識されるべきである。
【００５８】
図１１は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがう無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を構成する方法のフローチャート１１００である。本明細書で論じられる図１〜図９に対する参照がなされ得る。
【００５９】
ブロック１１０５において、複数のポート１０が提供される。ブロック１１１０において、同調可能フィルタ２０は、複数のポート１０に接続され、複数のポート１０のおのおのは、同調可能フィルタ２０のうちの同調可能フィルタに関連付けられ、同調可能フィルタ２０のおのおのは、超伝導量子干渉デバイス７０５を含む。同調可能フィルタ２０は、低域通過フィルタであり得る。同調可能フィルタ２０は、高域通過フィルタであり得る。
【００６０】
図１２は、１つまたは複数の実施形態にしたがう無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を構成する方法のフローチャート１２００である。本明細書で論じられる図１〜図９に対する参照がなされ得る。
【００６１】
ブロック１２０５において、ノード９０５が、中心接続点として提供される。ブロック１２１０において、同調可能フィルタ２０が、ノード９０５へ接続され、ノード９０５では、同調可能フィルタ２０が、マイクロ波信号３０５を伝送するための第１の状態（すなわち、伝送のための動作モード）へ独立して調整され、マイクロ波信号３０５を遮断するための第２の状態（すなわち、反射のための動作モード）へ独立して調整されるように構成され、これによって、同調可能フィルタ３０５のいずれかの同調可能フィルタが、ノード９０５を介して同調可能フィルタ２０の他の任意の同調可能フィルタへ信号を伝送するように構成されるようになる。
【００６２】
同調可能フィルタ２０のうちのいずれかと、同調可能フィルタ２０のうちの他のいずれかとは、両方とも、第１の状態にあるように構成される一方、残りすべての同調可能フィルタ２０は、第２の状態にあるように構成され、これによって、ノード９０５を介して、同調可能フィルタ２０の任意の同調可能フィルタから、同調可能フィルタ２０のうちの他の任意の同調可能フィルタへマイクロ波信号３０５が伝送されるようになる。
【００６３】
図１３は、本発明の１つまたは複数の実施形態にしたがう無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を構成する方法のフローチャート１３００である。本明細書で論じられる図１〜図９に対する参照がなされ得る。
【００６４】
ブロック１３０５において、複数のポート１０が提供される。ブロック１３１０において、複数のポート１０の第１の対は、その間に接続された少なくとも１つの同調可能フィルタ２０を有し、同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５を伝送するように構成されている。ブロック１３１５において、複数のポート１０の第２の対は、その間に接続された別の同調可能フィルタ２０を有し、同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号を反射するように構成されている。
【００６５】
技術的効果および利点は、無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを含む。技術的利点はさらに、伝送された信号の低減衰＜０.０５ｄＢ（デシベル）、（磁束線とＳＱＵＩＤとの間の相互インダクタンスに応じた）ナノ秒におけるような高速スイッチング（共振器なし）、および、比較的大きな帯域幅（ｂｗ）＞２８０メガヘルツ（ＭＨｚ）（これは、単位セルにおけるある変動を許容することによって著しく高められ得る）を含む。また、技術的利点はさらに、比較的大きなオン／オフ比＞２０ｄＢを含む。無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータは、より多くのＳＱＵＩＤを追加し、臨界電流を増加させることにより、比較的大きな電力＞−８０ｄＢｍ（０ｄＢｍは、１ミリワットに相当する）を許容し得る。無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータは、４Ｋで動作するようにＮｂ個のジョセフソン接合で製造され得、任意の周波数範囲について設計され得、１入力−Ｎ出力（またはその逆）まで容易に拡張され得るスケール可能なスキームを提供する。
【００６６】
「約」という用語およびその変形は、本願の出願の時点で利用可能な機器に基づく特定の量の測定に関連付けられた誤差の程度を含むことが意図されている。たとえば、「約」は、所与の値の±８％または５％、または２％の範囲を含み得る。
【００６７】
本発明の態様は、本明細書において、本発明の実施形態にしたがう方法、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図またはブロック図あるいはその両方を参照して説明される。フローチャート図またはブロック図の各ブロックあるいはその両方、およびフローチャート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合せは、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。
【００６８】
図面におけるフローチャート図およびブロック図は、本発明の様々な実施形態にしたがうシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実施態様のアーキテクチャ、機能、および動作を例示する。これに関して、フローチャート図またはブロック図の各ブロックは、指定された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モジュール、セグメント、または命令の一部を表すことができる。いくつかの代替実施態様では、ブロックに注記されている機能は、図面に注記された順序から外れて起こり得る。たとえば、連続して図示される２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行されてもよく、また、関連する機能に応じてブロックが逆の順序で実行されてもよい。また、ブロック図またはフローチャート図あるいはその両方の各ブロック、および、ブロック図またはフローチャート図あるいはその両方のブロックの組合せは、指定された機能または動作を実行する、または、専用のハードウェアとコンピュータ命令の組合せを実行する、専用の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。
【００６９】
本発明の様々な実施形態の説明は、例示の目的のために提示されたものであり、網羅的、または本明細書で論じられた実施形態に限定されるように意図されていない。説明された実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの変更および変形が当業者に明らかになるであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に対する現実的な応用または技術的な改良を最も良く説明するために、または、他の当業者が、本明細書で論じられた実施形態を理解できるように選択された。
【図１】
2019533303.tif 000019
【図２】
2019533303.tif 000020
【図３】
2019533303.tif 000021
【図４】
2019533303.tif 000022
【図５】
2019533303.tif 000023
【図６】
2019533303.tif 000024
【図７】
2019533303.tif 000025
【図８】
2019533303.tif 000026
【図９】
2019533303.tif 000027
【図１０】
2019533303.tif 000028
【図１１】
2019533303.tif 000029
【図１２】
2019533303.tif 000030
【図１３】
2019533303.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月16日(2019.5.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無損失マイクロ波スイッチであって、
複数のポートと、
同調可能フィルタであって、前記複数のポートのおのおのは、前記同調可能フィルタのうちの対応する同調可能フィルタに動作可能に結合されている、前記同調可能フィルタと
を備え、
前記同調可能フィルタは、無損失低域通過フィルタである、無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項２】
前記同調可能フィルタは、ノードに接続している、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項３】
複数の磁束線をさらに備え、
前記複数の磁束線のうちの個々の１つは、前記同調可能フィルタのうちの個々の１つを、１対１ベースで同調させるか、または、
前記複数の磁束線のうちの１つまたは複数の磁束線が、前記同調可能フィルタのうちの前記個々の１つを同調させることに寄与する、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項４】
複数の磁力源をさらに備え、前記複数の磁力源のうちの個々の１つが、前記同調可能フィルタのうちの個々の１つを１対１ベースで同調させるようにしている、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項５】
前記同調可能フィルタが、超伝導材料を備えた、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項６】
前記無損失低域通過フィルタのおのおのが、伝送線の中心導体と直列に接続されキャパシタによってグランドへ分路された１つまたは複数のＤＣ超伝導量子干渉デバイス（ＤＣ  ＳＱＵＩＤ）を含む、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項７】
前記同調可能フィルタは、無損失高域通過フィルタである、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項８】
前記無損失高域通過フィルタのおのおのが、１つまたは複数のＤＣ  ＳＱＵＩＤによって分路されたキャパシタを含む、請求項７に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項９】
前記複数のポートのうちの任意のポートが、前記複数のポートのうちの他の任意のポートに信号を伝送するように構成された、請求項１に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項１０】
前記複数のポートのうちの任意のポートのための前記同調可能フィルタのうちの前記対応する同調可能フィルタと、前記複数のポートのうちの前記他の任意のポートのための前記同調可能フィルタのうちの前記対応する同調可能フィルタとは、両方とも、前記信号を伝送するように調整されるように構成される一方、前記同調可能フィルタのうちの他のすべての同調可能フィルタは、前記信号を遮断するように調整されるように構成された、請求項９に記載の無損失マイクロ波スイッチ。
【請求項１１】
無損失マイクロ波スイッチを構成する方法であって、
複数のポートを提供することと、
同調可能フィルタを提供することであって、前記複数のポートのおのおのが、前記同調可能フィルタのうちの対応する同調可能フィルタに動作可能に結合されるようにする、前記提供することと
を含み、
前記同調可能フィルタは、無損失低域通過フィルタである、方法。
【請求項１２】
前記同調可能フィルタは、ノードに接続している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
複数の磁束線を提供することをさらに含み、
前記複数の磁束線のうちの個々の１つは、前記同調可能フィルタのうちの個々の１つを、１対１ベースで同調させるか、または、
前記複数の磁束線のうちの１つまたは複数の磁束線が、前記同調可能フィルタのうちの前記個々の１つを同調させることに寄与する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
複数の磁力源を提供することであって、前記複数の磁力源のうちの個々の１つが、前記同調可能フィルタのうちの個々の１つを１対１ベースで同調させるようにする、前記提供すること、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【国際調査報告】
2019533303.tif 000032
2019533303.tif 000033