(57)【要約】【課題】超伝導システムに関する周波数分割多重化を使用した量子信号のためのマイクロ波結合器および分配器を提供。【解決手段】超伝導システムは、第１の量子システム乃至最後の量子システムと、第１のフィルタ乃至最後のフィルタとを含む。量子信号のためのマイクロ波結合器は、第１のフィルタ乃至最後のフィルタが第１の入力乃至最後の入力にそれぞれ接続している。第１のフィルタ乃至最後のフィルタは、第１の量子システム乃至最後の量子システムにそれぞれ接続している。第１のフィルタ乃至最後のフィルタはおのおの、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域がおのおの異なるようにしている。第１のフィルタ乃至最後のフィルタを介して、共通の出力が第１の入力乃至最後の入力に接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導マイクロ波結合器であって、
第１のフィルタ乃至最後のフィルタであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の入力乃至最後の入力にそれぞれ接続し、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタはおのおの、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、前記第１の通過帯域乃至前記最後の通過帯域が、おのおの異なるようにしており、前記第１の入力乃至前記最後の入力は、互いに接続していない、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタと、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタを介して、前記第１の入力乃至前記最後の入力に接続された共通の出力であって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、超伝導であり、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、超伝導ランプ素子を含む、前記共通の出力と
を備えた、超伝導マイクロ波結合器。
【請求項２】
前記第１の入力乃至前記最後の入力はおのおの、互いに分離され、これによって、前記第１の入力乃至前記最後の入力からの信号漏洩を回避する、請求項１に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項３】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタはおのおの、異なる周波数のセットにおいて信号を伝送するように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、おのおのパッシブであり、これによって、パッシブ・フィルタとして動作するための動作電力を必要としない、請求項１に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項４】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記第１のフィルタは、周波数の第１のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの次のフィルタは、周波数の次のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記最後のフィルタは、周波数の最後のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、周波数の前記第１のセット、前記次のセット、および前記最後のセットのおのおのは、重複しない、請求項３に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項５】
前記第１の入力乃至前記最後の入力は、第１のポート乃至最後のポートをそれぞれ含み、
前記第１のポート乃至前記最後のポートは、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタに動作可能にそれぞれ接続され、前記第１のポート乃至前記最後のポートを介してそれぞれ入力された第１乃至最後の信号が結合され、共通ポートを介して出力されるようにしている、請求項１に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項６】
第１のインピーダンス変換器乃至最後のインピーダンス変換器は、前記第１のポート乃至前記最後のポートと、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタとの間にそれぞれ接続され、前記第１のインピーダンス変換器乃至前記最後のインピーダンス変換器は、インピーダンス整合を提供するように構成され、
共通インピーダンス変換器が、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタと、前記共通ポートとの間に接続され、前記共通インピーダンス変換器は、インピーダンス整合を提供するように構成された、請求項５に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項７】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタが、超伝導材料を備えた、請求項１に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項８】
超伝導マイクロ波結合器を構成する方法であって、
第１のフィルタ乃至最後のフィルタを提供することであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の入力乃至最後の入力にそれぞれ接続し、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタはおのおの、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、前記第１の通過帯域乃至前記最後の通過帯域はおのおの異なるようにし、前記第１の入力乃至前記最後の入力は、互いに接続していない、前記提供することと、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタを介して、前記第１の入力乃至前記最後の入力に接続された共通の出力を提供することであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導であり、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導ランプ素子を含む、前記提供することと
を含む、方法。
【請求項９】
前記第１の入力乃至前記最後の入力はおのおの、互いに分離され、これによって、前記第１の入力乃至前記最後の入力からの信号漏洩を回避する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタはおのおの、異なる周波数のセットにおいて信号を伝送するように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、おのおのパッシブであり、これによって、パッシブ・フィルタとして動作するための動作電力を必要としない、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記第１のフィルタは、周波数の第１のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの次のフィルタは、周波数の次のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記最後のフィルタは、周波数の最後のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、周波数の前記第１のセット、前記次のセット、および前記最後のセットのおのおのは、重複しない、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の入力乃至前記最後の入力は、第１のポート乃至最後のポートをそれぞれ含み、
前記第１のポート乃至前記最後のポートは、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタに動作可能にそれぞれ接続され、前記第１のポート乃至前記最後のポートを介してそれぞれ入力された第１乃至最後の信号が結合され、共通ポートを介して出力されるようにする、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
第１のインピーダンス変換器乃至最後のインピーダンス変換器は、前記第１のポート乃至前記最後のポートと、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタとの間にそれぞれ接続され、前記第１のインピーダンス変換器乃至前記最後のインピーダンス変換器は、インピーダンス整合を提供するように構成され、
共通インピーダンス変換器が、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタと、前記共通ポートとの間に接続され、前記共通インピーダンス変換器は、インピーダンス整合を提供するように構成された、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、超伝導材料を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
超伝導マイクロ波分配器であって、
第１のフィルタ乃至最後のフィルタであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の出力乃至最後の出力にそれぞれ接続し、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、前記第１の通過帯域乃至前記最後の通過帯域がおのおの異なるようにしている、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタと、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタを介して、前記第１の出力乃至前記最後の出力に接続された共通の入力であって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導であり、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導ランプ素子を含む、前記共通の入力と
を備えた、超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１６】
前記第１の出力乃至前記最後の出力はおのおの、互いに分離され、これによって、前記第１の出力乃至前記最後の出力からの信号漏洩を回避する、請求項１５に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１７】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタはおのおの、異なる周波数のセットにおいて信号を伝送するように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、おのおのパッシブであり、これによって、パッシブ・フィルタとして動作するための動作電力を必要としない、請求項１５に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１８】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記第１のフィルタは、周波数の第１のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの次のフィルタは、周波数の次のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記最後のフィルタは、周波数の最後のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、周波数の前記第１のセット、前記次のセット、および前記最後のセットのおのおのは、重複しない、請求項１７に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１９】
前記第１の出力乃至前記最後の出力は、第１のポート乃至最後のポートをそれぞれ含み、
前記第１のポート乃至前記最後のポートは、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタにそれぞれ動作可能に接続され、前記第１のポート乃至前記最後のポートを介して第１乃至最後の信号がそれぞれ出力されるようにしており、前記第１乃至最後の信号は、共通ポートを介して入力される、請求項１５に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項２０】
第１のインピーダンス変換器乃至最後のインピーダンス変換器は、前記第１のポート乃至前記最後のポートと、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタとの間にそれぞれ接続され、前記第１のインピーダンス変換器乃至前記最後のインピーダンス変換器は、インピーダンス整合を提供するように構成され、
共通インピーダンス変換器が、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタと、前記共通ポートとの間に接続され、前記共通インピーダンス変換器は、インピーダンス整合を提供するように構成された、請求項１９に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項２１】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、超伝導材料を含む、請求項１５に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項２２】
超伝導マイクロ波分配器を構成する方法であって、
第１のフィルタ乃至最後のフィルタを提供することであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の出力乃至最後の出力にそれぞれ接続し、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、前記第１の通過帯域乃至前記最後の通過帯域がおのおの異なるようにし、前記第１の入力乃至前記最後の入力は、互いに接続していない、前記提供することと、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタを介して、前記第１の出力乃至前記最後の出力に接続された共通の入力を提供することであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導であり、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導ランプ素子を含む、前記提供することと
を含む、方法。
【請求項２３】
前記第１の出力乃至前記最後の出力はおのおの、互いに分離され、これによって、前記第１の出力乃至前記最後の出力からの信号漏洩を回避する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタはおのおの、異なる周波数のセットにおいて信号を伝送するように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、おのおのパッシブであり、これによって、パッシブ・フィルタとして動作するための動作電力を必要としない、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記第１のフィルタは、周波数の第１のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの次のフィルタは、周波数の次のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記最後のフィルタは、周波数の最後のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、周波数の前記第１のセット、前記次のセット、および前記最後のセットのおのおのは、重複しない、請求項２４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、周波数分割多重化を使用した量子信号のためのマイクロ波結合器および分配器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気通信において、周波数分割多重化は、通信媒体において利用可能な全帯域幅が一連の重複しない周波数サブ帯域（non-overlapping frequency sub-band）に分割され、そのおのおのが個別の信号を搬送するために使用される技術である。これにより、通信路（airway）、ケーブル、または光ファイバのような単一の伝送媒体が、多数の独立した信号によって共有されるようになる。
【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、超伝導電子デバイスかなる量子システムに関し、周波数分割多重化を使用した量子信号のためのマイクロ波結合器および分配器を提供する。
【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、請求項１に記載されたような超伝導マイクロ波結合器が提供される。
【０００６】
本発明はまた、請求項８におけるような超伝導マイクロ波結合器を構成する方法を提供する。
【０００７】
本発明はまた、請求項１５におけるような超伝導マイクロ波分配器を提供する。
【０００８】
本発明はまた、請求項２２におけるような超伝導マイクロ波分配器を構成する方法を提供する。
【０００９】
１つまたは複数の実施形態によれば、超伝導システムが提供される。超伝導システムは、第１の量子システム乃至最後の量子システムと、第１のフィルタ乃至最後のフィルタとを含む。第１のフィルタ乃至最後のフィルタは、第１の量子システム乃至最後の量子システムにそれぞれ接続している。第１のフィルタ乃至最後のフィルタは、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域が、おのおの異なるようにしている。超伝導システムは、第１のフィルタ乃至最後のフィルタを介して、第１の量子システム乃至最後の量子システムに接続された共通の出力を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】１つまたは複数の実施形態にしたがう量子信号のためのマイクロ波結合器を描写するデバイスの概略図である。
【図２】１つまたは複数の実施形態にしたがう量子信号のためのマイクロ波分配器を描写するデバイスの概略図である。
【図３】１つまたは複数の実施形態にしたがって、量子システムアプリケーションにおいて利用されるデバイスを描写するシステムである。
【図４】１つまたは複数の実施形態にしたがって、電力結合器のカスケードツリーとしてデバイスを例示する。
【図５】１つまたは複数の実施形態にしたがう量子信号のためのマイクロ波結合器を描写するデバイスの概略図である。
【図６】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結合デバイスを構成する方法のフローチャートである。
【図７】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分配デバイス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】
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、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。
【００１２】
マイクロ波領域で量子信号を結合するためにマイクロ波電力結合器を使用することは、（反射を引き起こす）ポート間のインピーダンス不整合、（特定の）ポート間の貧弱な分離、または、量子信号の減衰による量子情報の損失、あるいはその両方を犠牲にして生じる。量子情報の損失は、電力結合器の内部損失または他のポートへの漏洩のいずれかにより得る。この量子情報の損失は、測定の信号対雑音比を著しく低下させ得る。
【００１３】
さらに、超伝導量子ビットに基づくスケール可能な量子プロセッサアーキテクチャでは、希釈冷凍機に入る入力線および出力線の数を最小化することが重要である。これを出力側で実現する１つの方式は、たとえば、ハイブリッドまたは市販の電力結合器を使用して、同じ出力線上の多数の量子ビットの多数の読出信号を結合することによる。続いて、出力チェーンを伝播する前に多数の読出信号を増幅するために、広帯域量子制限増幅器が利用され得る。しかしながら、そのようなハイブリッドまたは電力結合器を使用することは、増幅器の前の量子信号を減衰させ、量子情報の著しい損失をもたらし、したがって、量子測定の効率を制限する。
【００１４】
別の可能性は、各個別信号を増幅する多数の量子制限増幅器の後に電力結合器を追加することである。しかしながら、このスキームの欠点は、スキームのようなスケーラビリティを制限する希釈冷凍機に、嵩張るハードウェア（多数の増幅器）を追加することである。希釈冷凍機は、低温領域に可動部分がなく、７ミリケルビン（ｍＫ）という低い温度への連続冷却を提供する極低温デバイス（cryogenic device）である。
【００１５】
以下は、電力結合器または分割器のいくつかの例である。
【００１６】
以下は、Ｔ接合電力結合器の特性である。１）１つの入力ポートと２つの出力ポートを備えた３ポートデバイス、２）無損失、３）相互性、４）出力ポート間の無分離、および５）入力にのみ整合。
【００１７】
抵抗分割器の特性は、以下を含む。１）３ポートデバイス、２）相互性、３）すべてのポートにおいて整合され得る（反射なし）、４）損失性、および５）出力ポート間の無分離。
【００１８】
ハイブリッド（９０°および１８０°ハイブリッド）の特性は、以下を含む。１）２つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する４ポートデバイス、２）相互性、３）すべてのポートにおいて整合され得る（反射なし）、４）２つの入力ポート間、および２つの出力ポート間の良好な分離。ハイブリッドが電力結合器として使用される場合、電力は２つの出力ポート間で等しく分割され、情報の半分が失われるようになる。
【００１９】
以下は、ウィルキンソン電力分割器／結合器の特性である。１）１つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する３ポートデバイス（Ｎ方式のデバイスに一般化され得る）、２）すべてのポートにおいて整合される（反射なし）、３）２つの出力ポート間の分離、４）信号電力の半分だけが入力に現れ、残りの半分は散逸するので、出力ポートに入力された信号を結合する場合の損失性。
【００２０】
１つまたは複数の実施形態は、量子情報の損失を引き起こすことなく（無損失）、また、異なる量子ビット−共振器システム間（入力ポート間の分離、または、出力ポート間の分離、あるいはその両方）の信号の漏洩を許容することなく、少数の入力線および出力線を使用して（これによって、スケーラビリティを提供する）多数の量子ビット−共振器システムの駆動および読出を多重化することに関連する問題または論点に対処する。実施形態は、それらの周波数に基づいてマイクロ波信号（駆動信号および読出信号）を分離する１つまたは複数の方法およびデバイスを含み、したがって、方法およびデバイスが、駆動／読出において使用されるマイクロ波信号を減衰させることなく、多数の量子ビットの読出および駆動を多重化することを可能にする。また、デバイスは、異なるポート間の分離を提供される。
【００２１】
１つまたは複数の実施形態によれば、デバイスは、量子信号用のマルチポートオンチップ超伝導マイクロ波結合器または分配器あるいはその両方であることができる。マイクロ波結合器および分配器は無損失であり、それらのポートは、入力／出力環境に整合される。超伝導マイクロ波結合器または分配器あるいはその両方は、量子ビット駆動および読出のようなスケール可能な量子処理アーキテクチャにおいて使用され得る。
【００２２】
１つまたは複数の実施形態では、マイクロ波結合器および分配器が、同じデバイス内に構成されている。入力信号の方向は、デバイスがマイクロ波結合器または分配器として動作しているか否かを判定する。
【００２３】
図１は、１つまたは複数の実施形態にしたがう量子信号用のマイクロ波結合器を描写するデバイスの概略図である。デバイス１００は、周波数分割多重化を利用して、異なるマイクロ波信号に対して異なる周波数を、単一の出力伝送線に割り当てるように構成されている。
【００２４】
デバイス１００は、帯域通過フィルタ１０５と一般に称される帯域通過マイクロ波フィルタを含む。異なる帯域通過フィルタ１０５は、帯域通過フィルタ１０５＿１乃至帯域通過フィルタ１０５＿Ｎとして描写される。各帯域通過フィルタ１０５は、特定の狭い通過帯域内の周波数を有するマイクロ波信号が伝送（すなわち通過）され、特定の狭い通過帯域外の周波数を有する信号が反射（すなわち遮断）される異なる狭い通過帯域を有する。帯域通過フィルタ１０５＿１は、帯域幅１（ＢＷ１）を有するそれ自身の狭い通過帯域を有し、帯域通過フィルタ１０５＿２は、帯域幅２（ＢＷ２）を有するそれ自身の狭い通過帯域を有し、帯域通過フィルタ１０５＿Ｎは、帯域幅Ｎ（ＢＷＮ）を有するそれ自身の狭い通過帯域を有する。
【００２５】
たとえば、帯域通過フィルタ１０５＿１は、周波数ｆ１を有するマイクロ波信号１５０＿１を通過（伝送）させるが、帯域通過フィルタ１０５＿１の通過帯域外である周波数ｆ２乃至ｆＮを有する他のすべてのマイクロ波信号１５０＿２乃至１５０＿Ｎを遮断（反射）する通過帯域（周波数帯域）で構成されている。同様に、帯域通過フィルタ１０５＿２は、周波数ｆ２を有するマイクロ波信号１５０＿２を通過（伝送）させるが、帯域通過フィルタ１０５＿２の通過帯域外である周波数ｆ１、ｆ３乃至ｆＮを有する他のすべてのマイクロ波信号１５０＿１、１５０＿３乃至１５０＿Ｎを遮断（反射）する通過帯域（周波数帯域）で構成されている。類似して、帯域通過フィルタ１０５＿Ｎは、周波数ｆＮを有するマイクロ波信号１５０＿Ｎを通過（伝送）させるが、帯域通過フィルタ１０５＿Ｎの通過帯域外である周波数ｆ１乃至ｆＮ−１を有する他のすべてのマイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎ−１を遮断（反射）する通過帯域（周波数帯域）で構成されている。マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎは、一般に、マイクロ波信号１５０と称される。キャビティ−量子ビット量子システムが、デバイス１００に動作可能に接続されている場合、マイクロ波信号１５０は、当業者によって理解されるように、特定の量子ビットを駆動するように指定された、または、（読出共振器またはキャビティを介して）読出量子ビットに指定された、それぞれの周波数ｆ１乃至ｆＮにあり得る。
【００２６】
一例として、１つの帯域通過フィルタ１０５は、１ＭＨｚの通過帯域を有することができ、別の帯域通過フィルタ１０５は、１０ＭＨｚの通過帯域を有することができ、さらに別の帯域通過フィルタ１０５は、１００ＭＨｚの通過帯域を有することができるという具合である。
【００２７】
デバイス１００は、それぞれの帯域通過フィルタ１０５に個々に接続されたポート１１０を含む。特に、異なるポート１１０は、ポート１、ポート２乃至ポートＮとして指定され、ポートＮは、ポート１１０の最後を表す。同様に、Ｎは、マイクロ波信号１５０、帯域通過フィルタ１０５、量子システム３０５（図３で論じられる）等の周波数の最後を表す。デバイス１００において、ポート１は帯域通過フィルタ１０５＿１に接続され、ポート２は帯域通過フィルタ１０５＿２に接続され、ポートＮは帯域通過フィルタ１０５＿Ｎに接続されている。各ポート＿１乃至ポート＿Ｎは、自身の帯域通過フィルタ１０５＿１乃至帯域通過フィルタ１０５＿Ｎの一端に接続されている。帯域通過フィルタ１０５＿１乃至帯域通過フィルタ１０５＿Ｎの他端は、共通ノード１１５を介して共通ポート１２０に接続されている。共通ノード１１５は、電気的接続のための相互の位置として、共通接続点、共通伝送線、共通線等であり得る。共通ポート１２０は、帯域通過フィルタ１０５＿１乃至帯域通過フィルタ１０５＿Ｎおのおのに接続され、個々のポート１１０（ポート１〜Ｎ）は、それぞれの帯域通過フィルタ１０５＿１乃至帯域通過フィルタ１０５＿Ｎ（のみに）接続されている。
【００２８】
帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎは、それぞれの通過帯域において、それぞれのマイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎのみを伝送するので、デバイス１００は、（帯域通過フィルタ１０５の）通過帯域のいずれもが重ならないように、帯域通過フィルタ１０５＿１乃至帯域通過フィルタ１０５＿Ｎおのおのが、異なる周波数の帯域（またはサブ帯域）をカバーするように構成されている。したがって、ポート１、ポート２乃至ポートＮのおのおのは、それぞれの帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎに接続されているので、互いに分離されており、いずれのポート１１０を介したマイクロ波信号１５０であっても、共通ノード１１５を介して別のポート１１０へ（入るまたは出るに関わらず）漏洩しない。このように、各ポート１１０は他のポート１１０から分離され、それ自身の帯域通過フィルタ１０５に接続された結果として、あらかじめ定義された周波数において（または、あらかじめ定義された周波数帯域内で）自身のマイクロ波信号１５０を伝送するように設計される。このように、帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎは、ポート１１０（たとえば、ポート１、ポート２乃至ポートＮ）間の分離を提供する役割を担う。
【００２９】
それぞれのポート１１０、帯域通過フィルタ１０５、共通ノード１１５、および共通ポート１２０は、伝送線３０を介して互いに接続されている。伝送線３０は、ストリップ線、マイクロストリップ等とすることができる。マイクロ波帯域通過フィルタ１０５は、超伝導インダクタ、超伝導ギャップキャパシタ、または、プレートキャパシタ、あるいはその両方、および受動超伝導素子等の無損失または低損失ランプ素子を使用して設計および実施される。超伝導素子は、ランプ素子インダクタ、ギャップキャパシタ、または、（低損失誘電体を有する）プレートキャパシタ、あるいはその組合せを含む。帯域通過フィルタの他の可能な実施態様は、結合線フィルタ（coupled-line filter）、または、容量結合型直列共振器（capacitively-coupled series resonator）、あるいはその両方を含む。
【００３０】
それぞれのポート１１０、帯域通過フィルタ１０５、共通ノード１１５、共通ポート１２０、および伝送線３０は、超伝導材料製である。（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。
【００３１】
マイクロ波結合器としてのデバイス１００の１つの実施態様では、共通ポート１２０に接続された別の同軸ケーブルが、結合されたマイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎを出力している間、ポート１１０に接続された同軸ケーブルが、異なる周波数ｆ１乃至ｆＮで、マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎを入力できるように、同軸ケーブルが、ポート１１０およびポート１２０の外部端へ接続し得る。マイクロ波結合器では、それぞれの周波数ｆ１乃至ｆＮにおいて、各マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎについて、マイクロ波信号１５０のいずれも、他の（入力）ポート１１０のいずれを介しても返送されない（すなわち、ポート分離）が、代わりに、各マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎは、それぞれの帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎを通過し、共通ノード１１５を通過し、共通ポート１２０から出る。このように、マイクロ波結合器は、マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎを結合し、これらを、共通ポート１２０を介して出力する。デバイス１００は、周波数関係ｆ１＜ｆ２＜．．．＜ｆＮで構成され、各周波数ｆ１、ｆ２、．．．ｆＮは、帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎそれぞれの中心周波数である。デバイス１００は、不等式
【数１】
2019535169.tif 000003
を満足するように構成され、ここでｉ、ｊ＝１、２、．．．Ｎおよびｊ≠ｉである。この不等式は、帯域通過フィルタの各対の中心周波数間の周波数間隔が、それらの平均帯域幅を超えることを要求している。言い換えれば、この不等式は、帯域通過フィルタのいずれもが、重複する帯域幅（すなわち、周波数範囲）を有さないことを保証する。
【００３２】
それぞれの伝送線３０（および、それぞれの帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎ）を有するポート１乃至ポートＮおのおのは、異なる／別個のチャネル／入力と考慮され、共通ポート１２０は共通チャネルである。したがって、電力結合器として動作する場合、ポート１乃至Ｎの多数の入力チャネルが、共通ポート１２０の（単一の）共通チャネルに接続されている。デバイス１００は、双方向的であるように構成されている。本明細書で述べるように、同じデバイス１００が、マイクロ波電力結合器とマイクロ波信号分配器との両方として利用され得る。
【００３３】
図２は、１つまたは複数の実施形態にしたがう量子信号のためのマイクロ波分配器を描写するデバイス１００の概略図である。マイクロ波分配デバイス１００は、共通ポート１２０に入力されたマイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎを個々のポート１乃至Ｎへ分配するように構成され、マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎは、それぞれの帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎの通過帯域にしたがって導かれ／分配される。
【００３４】
マイクロ波分配器としてのデバイス１００の１つの実施態様では、出力ポート１１０に接続された他の同軸ケーブルが、個々のマイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎを出力している間、共通ポート１２０に接続された同軸ケーブルが、異なる周波数ｆ１乃至ｆＮで、マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎを入力できるように、同軸ケーブルが、共通ポート１２０の外部端へ接続し得る。マイクロ波分配器では、各周波数ｆ１乃至ｆＮにおける各マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎに対して、個々の周波数ｆ１乃至ｆＮのみが、対応する周波数ｆ１乃至ｆＮをカバーする通過帯域を有するそれぞれの帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎを通過することを許可され、これによって、個々のポート１乃至ポートＮを通過する。帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎのおのおのは、重複する通過帯域を有していないので、マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎおのおのは、帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎのうちの１つのみを通過するようにあらかじめ定義された自身の周波数ｆ１乃至ｆＮを有する。周波数ｆ１乃至ｆＮのうちの自身の周波数において、マイクロ波信号１５０が、共通ポート１２０を介して入力され、各マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎは、共通ノード１１５を通過し、それぞれの帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎを介して伝送され、周波数ｆ１乃至ｆＮにしたがって、個々のポート１〜Ｎから出る。それぞれの帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎによるフィルタリングにより、各ポート１〜Ｎ（のみ）が、それ自身のそれぞれの周波数ｆ１乃至ｆＮを出力する。言い換えれば、ポート１は、（帯域通過フィルタ１０５＿１を介して）周波数ｆ１においてマイクロ波信号１５０＿１を出力する一方、帯域通過フィルタ１０５＿１は、周波数ｆ２〜ｆＮを遮断する。ポート２は、周波数ｆ２において（帯域通過フィルタ１０５＿２を介して）マイクロ波信号１５０＿２を出力する一方、帯域通過フィルタ１０５＿２は、周波数ｆ１、ｆ３〜ｆＮを遮断する。同様に、ポートＮは、周波数ｆＮにおいて（帯域通過フィルタ１０５＿Ｎを介して）マイクロ波信号１５０＿Ｎを出力する一方、帯域通過フィルタ１０５＿Ｎは、周波数ｆ１〜ｆＮ−１を遮断する。
【００３５】
図２では、それぞれの伝送線３０（および、それぞれの帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎ）を有する各ポート１乃至ポートＮは、異なる／別個のチャネル／出力と考慮され、共通ポート１２０は、共通チャネル／入力である。したがって、電力分配器として動作する場合、ポート１乃至Ｎの多数の出力チャネルは、共通ポート１２０の（単一の）共通（入力）チャネルに接続されている。
【００３６】
図１および図２において認識され得るように、デバイス１００は、ポート１１０または１２０がマイクロ波信号１５０の入力を受信するか否かにしたがって、マイクロ波信号分配器および結合器の両方として動作するように構成されている。
【００３７】
図３は、１つまたは複数の実施形態にしたがって量子システムアプリケーションで利用されるデバイス１００を描写するシステム３００である。図３は、キャビティ／共振器１〜Ｎのそれぞれの共振周波数に整合またはほぼ整合する周波数ｆ１〜ｆＮを有するマイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎを有することによって、量子ビットの周波数多重化読出を描写するデバイス１００の例示的なアプリケーションである。この例は、代わりに、量子ビット１〜Ｎのそれぞれの共振周波数に整合またはほぼ整合する周波数ｆ１〜ｆＮを有するマイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎを有することによって、量子ビットを駆動するために等しく適用され得ることが認識されるべきである。
【００３８】
システム３００において、量子システム３０５＿１乃至３０５＿Ｎは、（入力）ポート１乃至ポートＮにそれぞれ接続されている。量子システムは、一般に、量子システム３０５と称され得る。量子システム３０５＿１は、動作可能にともに結合されたキャビティおよび量子ビット１であり得る。量子システム３０５＿２は、動作可能にともに結合されたキャビティおよび量子ビット２であり得る。同様に、量子システム３０５＿Ｎは、動作可能にともに結合されたキャビティおよび量子ビットＮであり得る。量子システム３０５において、キャビティおよび量子ビットは、当業者に理解されるように、容量的に接続され得、２次元キャビティへ接続され得、または、３次元キャビティへ接続され得、あるいはその組合せである。量子ビットの１つのタイプは、少なくとも１つのジョセフソン接合を含む超伝導量子ビットであり、ジョセフソン接合は、たとえば、酸化アルミニウム、酸化ニオブ等のような薄い絶縁体を挟む２つの超伝導金属（たとえば、アルミニウム、ニオブ等）で形成された非線形非散逸インダクタである。
【００３９】
１つの実施態様では、システム３００は、また（出力）共通ポート１２０に接続された広帯域量子制限増幅器３５０を含み得る。広帯域量子制限増幅器３５０は、それぞれの周波数ｆ１乃至ｆＮを有するすべてのマイクロ波信号１５０を増幅するように設計された広い帯域幅を有する。
【００４０】
各量子システム３０５は、各量子システム３０５毎に異なる、自身の共振周波数で共振するように設計されている。当業者であれば、各量子システム３０５におけるキャビティは、キャビティが、通常、読出共振器周波数と呼ばれる、自身の共振周波数で共振するような共振器であるか、または共振器として動作することを認識する。特に、量子システム３０５＿１におけるキャビティは、たとえば周波数ｆ１であるその共振周波数で共振するように構成されている。量子システム３０５＿２におけるキャビティは、周波数ｆ２であるその共振周波数で共振するように構成されている。同様に、量子システム３０５＿Ｎにおけるキャビティは、周波数ｆＮであるその共振周波数で共振するように構成されている。
【００４１】
量子システム３０５は、キャパシタ３２５を介してデバイス１００に結合され、量子システム３０５は、キャパシタ３２０を介して外部環境に結合される。外部環境は、マイクロ波信号生成機器を含み得る。
【００４２】
システム３００における量子システム３０５＿１におけるそれぞれの量子ビットの周波数多重化読出の間、周波数ｆ１におけるマイクロ波信号１５０＿１は、量子システム３０５＿１におけるキャビティの共振周波数にあり、マイクロ波信号１５０＿１は、（帯域通過フィルタ１０５＿１が、周波数ｆ１を通過させるように設計されているため）ポート１と帯域通過フィルタ１０５＿１との両方を目標とする周波数ｆ１にある。量子システム３０５＿２における各量子ビットの周波数多重化読出の間、周波数ｆ２におけるマイクロ波信号１５０＿２は、量子システム３０５＿２におけるキャビティの共振周波数にあり、マイクロ波信号１５０＿２は、（帯域通過フィルタ１０５＿２が、周波数ｆ２を通過させるように設計されているため）ポート２と帯域通過フィルタ１０５＿２との両方を目標とする周波数ｆ２にある。量子システム３０５＿Ｎにおけるそれぞれの量子ビットの周波数多重化読出の間、周波数ｆＮにおけるマイクロ波信号１５０＿Ｎは、量子システム３０５＿Ｎにおけるキャビティの共振周波数にあり、マイクロ波信号１５０＿Ｎは、（帯域通過フィルタ１０５＿Ｎが、周波数ｆＮを通過させるように設計されているため）ポートＮと帯域通過フィルタ１０５＿Ｎとの両方を目標とする周波数ｆＮにある。それぞれの共振周波数ｆ１乃至ｆＮにおけるマイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎは、量子システム３０５＿１乃至３０５＿Ｎをそれぞれ共振させるため、（それぞれの共振周波数における）マイクロ波信号１５０は、それぞれのキャビティ（共振器）に結合されたそれぞれの量子ビットの読出を引き起こす。このように、量子システム３０５＿１（すなわち、量子ビット−共振器）と相互作用した後、マイクロ波信号１５０＿１は、ポート１を介して、帯域通過フィルタ１０５＿１へ、共通ポート１２０を介して、広帯域量子制限増幅器３５０へ伝送される。量子システム３０５＿２（すなわち、量子ビット−共振器）と相互作用した後、マイクロ波信号１５０＿２は、ポート２を介して、帯域通過フィルタ１０５＿２へ、共通ポート１２０を介して、広帯域量子制限増幅器３５０へ伝送される。同様に、量子システム３０５＿Ｎ（すなわち、量子ビット−共振器）と相互作用した後、マイクロ波信号１５０＿Ｎは、ポートＮを介して、帯域通過フィルタ１０５＿Ｎへ、共通ポート１２０を介して、広帯域量子制限増幅器３５０へ伝送される。それぞれの量子システム３０５＿１乃至３０５＿Ｎと相互作用した後、マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎのおのおのは、それぞれの量子ビットの量子情報（たとえば、状態）を含む。マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｎのおのおのは、広帯域量子制限増幅器３５０によって（同時に）増幅される。
【００４３】
量子信号は、マイクロ波信号である。マイクロ波信号１５０は、デバイス１００において双方向に伝送され得ることが認識されるべきである。
【００４４】
図４は、１つまたは複数の実施形態にしたがう電力結合器のカスケードツリーとしてデバイス１００を例示する。図４は、デバイス１００をスケールアップした例である。デバイス１００は、たとえばチップとしてウエハ上に製造されるように構成されている。図４を不必要に不明瞭にしないように、デバイス１００のいくつかの詳細は、明確化のために省略されている。これらの詳細は、本明細書で論じられたような類推によって含まれることが理解される。
【００４５】
この例では、電力結合器のツリーが２つのレベルで描写されている。他の実施態様では、電力結合器のツリー内に３、４、５．．．１０またはそれ以上のレベルが存在し得る。図４では、レベル２においてＭ個の単位のデバイス１００が存在し、Ｍ個の単位のデバイス１００はおのおのレベル２においてＮ個の入力を有する。Ｎ個の入力を有することは、レベル２における各デバイス１００が、Ｎ個の帯域通過フィルタ１０５のそれぞれの帯域通過フィルタに接続された対応するＮ個のポート１１０を有することを意味する。本明細書で論じられるように、Ｎ個の入力のおのおのは、１対１ベースで単一のポート１１０と単一の帯域通過フィルタ１０５を有する。レベル２では、デバイス１００は、帯域通過フィルタ１０５を有し、帯域通過フィルタ１０５のおのおのは、周波数のカバレッジに重複がないように、本明細書で論じられるような異なる通過帯域（すなわち、異なる周波数帯域）を有する。
【００４６】
電力結合デバイス１００＿１乃至１００＿Ｍのおのおのは、それぞれの中心伝送線３０＿１乃至３０＿Ｍにマイクロ波信号１５０を出力するように構成されている。伝送線３０＿１乃至３０＿Ｍの指定は、電力結合デバイス１００＿１乃至１００＿Ｍのおのおのが自身の出力伝送線３０を有することを示すために利用され、したがって、レベル２におけるデバイス１００からの中心伝送線３０の総数は、Ｍに等しい。レベル１では、デバイス１００＿Ｚは、Ｍ個の入力を有する。各デバイス１００＿１乃至１００＿Ｍの出力は、デバイス１００＿ＺのＭ個の入力のうちの自身の入力へ個々に接続され、中心伝送線３０＿１乃至３０＿Ｍのおのおのは、デバイス１００＿ＺのＭ個の入力のうちの１つとなる。
【００４７】
デバイス１００＿Ｚは、本明細書で論じられるデバイス１００と同一である。しかしながら、デバイス１００＿Ｚは、Ｍ個の入力のおのおのが、中心伝送線３０毎の低レベル２における帯域通過フィルタ１０５のすべての通過帯域をカバーする通過帯域を有するレベル１における、自身の接続された帯域通過フィルタ１０５を有するように構成されている。たとえば、ツリー４００のレベル１において、デバイス１００＿Ｚは、ポート１を有する（Ｍ個の入力のうちの）第１の入力を有するので、レベル１における帯域通過フィルタ１０５は、レベル２におけるデバイス１００＿１内の帯域通過フィルタのすべての通過帯域を含む。同様に、ツリー４００のレベル１において、デバイス１００＿Ｚは、ポート２を有する（Ｍ個の入力のうちの）第２の入力を有するので、レベル１における帯域通過フィルタ１０５は、レベル２におけるデバイス１００＿２（図示せず）内の帯域通過フィルタのすべての通過帯域を含む。ツリー４００のレベル１における（Ｍ個の入力のうちの）最後の入力によって、デバイス１００＿Ｚは、ポートＮを有する最後の入力を有するので、レベル１におけるその帯域通過フィルタ１０５は、レベル２におけるデバイス１００＿Ｍ内の帯域通過フィルタのすべての通過帯域を含む。
【００４８】
レベル１において、デバイス１００＿Ｚは、Ｍ個の入力においてマイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｚを受信し、中心伝送線３０＿Ｚに出力されるべきマイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｚを結合するように構成されている。したがって、電力デバイスのツリー４００は、レベル１のデバイス１００＿Ｚが、レベル２におけるＭ個の単位のデバイス１００に対応するＭ×Ｎ個のマイクロ波信号１５０を出力するようにスケールアップされ、レベル２におけるデバイス１００のおのおのは、Ｎ個の入力を有する。マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｚの方向は、スケールアップされた電力結合器として動作するツリー４００を図示する。同様に、マイクロ波信号１５０＿１乃至１５０＿Ｚの方向は、スケールアップされた信号分配器として動作するように切り換えられ得る。
【００４９】
図５は、１つまたは複数の実施形態にしたがう量子信号のためのマイクロ波結合器を描写するデバイス１００の概略図である。デバイス１００は、本明細書で論じられる様々なすべての特徴を含む。さらに、デバイス１００は、通過するマイクロ波信号に対するインピーダンス整合を保証する（すなわち、信号経路に沿った反射を最小にする）追加の特徴を含み、共通ノード１１５への多数の分岐／線の接続も可能にする。
【００５０】
図５では、インピーダンス変換器５０５＿１乃至５０５＿Ｎは、それぞれのポート１乃至Ｎと、それらの関連付けられた帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎとの間に、それぞれ追加される。また、デバイス１００は、共通ノード１１５および共通ポート１２０に接続された広帯域インピーダンス変換器５１０を含む。インピーダンス変換器５０５＿１乃至５０５＿Ｎおよびインピーダンス変換器５１０は、インピーダンス整合を提供するように構成されている。デバイス１００の一端において、インピーダンス変換器５０５＿１乃至５０５＿Ｎは、ポート１〜Ｎの入力インピーダンスＺ０と整合（または、ほぼ整合）し、関連付けられた帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎと整合するように構成されている。インピーダンス変換器５０５＿１乃至５０５＿Ｎのおのおのは、特性インピーダンス
【数２】
2019535169.tif 000004
で構成され、ここでＺ０は、入力インピーダンス（および、出力インピーダンス）であり、ＺＨは、帯域通過フィルタ１０５＿１乃至１０５＿Ｎの高インピーダンスであり、Ｚは、各インピーダンス変換器５０５＿１乃至５０５＿Ｎの平均インピーダンスである。平均特性インピーダンスＺは、Ｚ０とＺＨの積の平方根である。共通ノードの領域においてデバイスポートのインピーダンスＺ０を高特性インピーダンスＺＨに変換することが役に立ち得る１つの理由は、一般に、マイクロストリップまたはストリップ線のような高インピーダンス伝送線が、共通ノードの物理的なサイズを最小化し、より多くの線が、そのノードにおいてともに連結されるようになる狭いトレースを有するからである。これは、帯域通過フィルタが、結合線フィルタ、または、容量結合共振器、あるいはその組合せとして実施される場合に特に重要である。しかしながら、すべてのフィルタが、（非常に小さなフットプリントを有する）ランプ素子を使用して実施されている場合、このようなインピーダンス変換はあまり問題にならない可能性がある。
【００５１】
１つの実施態様では、インピーダンス変換器５０５＿１乃至５０５＿Ｎは、一端（たとえば、左端）が入力インピーダンスＺ０に整合する広い幅を有し、他端（たとえば、右端）が帯域通過フィルタ１０５の高インピーダンスＺＨに整合する狭い幅を有するインピーダンス整合伝送線であり得る。インピーダンス整合変換器５０５＿１乃至５０５＿Ｎのおのおのは、自身のそれぞれの関係
【数３】
2019535169.tif 000005
にしたがった長さを有し、ここでλ１は、マイクロ波信号１５０＿１の波長であり、λ２は、マイクロ波信号１５０＿２の波長であり、λＮは、マイクロ波信号１５０＿Ｎの波長である。これらインピーダンス変換器は、一般に、狭い帯域幅を有する。
【００５２】
１つの実施態様では、広帯域インピーダンス変換器５１０は、一端（たとえば、左端）が、（共通ノード１１５を介して）帯域通過フィルタ１０５の高インピーダンスＺＨに整合する狭い幅を有し、他端（たとえば、右端）が、出力インピーダンスＺ０に整合する広い幅を有するインピーダンス整合伝送線であり得る。このような広帯域インピーダンス変換器は、テーパ状の伝送線（tapered transmission line）、たとえば、最大信号波長のスケールで断熱的に幅が変更される伝送線を使用して実施され得る。たとえば指数関数的テーパまたはＫｌｏｐｆｅｎｓｔｅｉｎテーパのように、当業者に知られている他の実施のテーパ状の線もまた可能である。また、このインピーダンス変換器と他の変換器５０５とのための広帯域要件は、帯域通過の対応する中心周波数を中心とする狭い周波数範囲のためのインピーダンスを整合させるだけでよいインピーダンス変換器５０５とは対照的に、広帯域変換器が、広帯域変換器を介して伝送される信号周波数の広帯域のための特性インピーダンスと整合する必要があるという事実から生じることに留意されたい。
【００５３】
インピーダンス変換器５０５＿１乃至５０５＿Ｎおよびインピーダンス変換器５１０は、たとえば、ニオブ、アルミニウム、タンタルのように、本明細書で論じられるような超伝導材料製である。
【００５４】
インピーダンス指定Ｚ０は、ポート１１０および１２０（これらは、入力ポートおよび出力ポート、またはその逆であり得る）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、当業者によって認識されるように、各ポート１１０および１２０において５０オーム（Ω）であり得る。
【００５５】
図６は、１つまたは複数の実施形態にしたがって、超伝導マイクロ波結合デバイス１００を構成する方法６００のフローチャートである。図１〜図５に対する参照がなされる。
【００５６】
ブロック６０５において、第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタが提供される。第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎは、第１の入力乃至最後の入力（たとえば、それぞれのポート１１０へ個々に接続された伝送線３０）へそれぞれ接続している。第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎおのおのは、（それぞれ、周波数ｆ１〜ｆＮを含む）第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、これによって、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域はおのおの異なるようになる。
【００５７】
ブロック６１０において、共通の出力（たとえば、共通ポート１２０に接続された伝送線３０）が、第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎを介して、第１の入力乃至最後の入力へ接続されている。
【００５８】
第１の入力乃至最後の入力は、おのおの互いに分離され、これによって第１の入力乃至最後の入力間の信号漏洩を回避する。第１のフィルタ乃至最後のフィルタはおのおの、異なる周波数のセットにおいて信号（たとえば、マイクロ波信号１５０＿１〜１５０＿Ｎ）を伝送するように構成されている。第１のフィルタ乃至最後のフィルタ（たとえば、帯域通過フィルタ１０５＿１〜１０５＿Ｎ）は、おのおのパッシブであり、パッシブ・フィルタとして動作するための動作電力を必要とせず、電力利得を必要としない。
【００５９】
第１のフィルタ乃至最後のフィルタの第１のフィルタ１０５＿１は、周波数の第１のセットにおいてのみ信号を通過させるように構成され、第１のフィルタ乃至最後のフィルタのその次のフィルタ１０５＿２は、周波数のその次のセットにおいてのみ信号を通過させるように構成され、第１のフィルタ乃至最後のフィルタの最後のフィルタ１０５＿Ｎは、周波数の最後のセットにおいてのみ信号を通過させるように構成されている。周波数の第１のセット、その次のセット、および最後のセットのおのおのは、重複しない（すなわち、通過帯域が重複しない）。
【００６０】
第１の入力乃至最後の入力はそれぞれ、第１のポート（たとえば、ポート１）乃至最後のポート（たとえば、ポートＮ）を含む。第１のポート１乃至最後のポートＮはそれぞれ、第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎへ動作可能に接続されており、第１のポート乃至最後のポートを介してそれぞれ入力された第１乃至最後の信号（たとえば、図４におけるマイクロ波信号１５０＿１〜１５０＿Ｎまたはマイクロ波信号１５０＿１〜１５０＿Ｚ）は、結合され、共通ポート１２０を介して出力されるようになる。
【００６１】
第１のインピーダンス変換器５０５＿１乃至最後のインピーダンス変換器５０５＿Ｎはそれぞれ、第１のポート１乃至最後のポートＮと、第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎとの間に接続されている。第１のインピーダンス変換器乃至最後のインピーダンス変換器は、図５で論じられるようなインピーダンス整合を提供するように構成されている。共通インピーダンス変換器５１０は、第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎと、共通ポート１２０との間に接続され、共通インピーダンス変換器５１０は、インピーダンス整合を提供するように構成されている。第１のフィルタ乃至最後のフィルタは、超伝導であり、第１のフィルタ乃至最後のフィルタは、超伝導材料を含む。
【００６２】
図７は、１つまたは複数の実施形態にしたがって、超伝導マイクロ波分配デバイス１００を構成する方法７００のフローチャートである。図１〜図６に対する参照がなされる。超伝導マイクロ波分配器および超伝導マイクロ波結合器は、同じデバイスである。しかしながら、マイクロ波分配器および結合器は、論じられたものと反対方向に動作する。特に、入力ポートおよび出力ポートは、入力および出力マイクロ波信号１５０に対して逆の順序で利用される。
【００６３】
ブロック７０５において、第１のフィルタ乃至最後のフィルタが提供される。第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎはそれぞれ、第１の出力乃至最後の出力（たとえば、それぞれのポート１１０に個々に接続された伝送線３０）に接続している。第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎはそれぞれ、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域（それぞれ、周波数ｆ１〜ｆＮを含む）を有し、これによって、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域は、おのおの異なったものとなる。
【００６４】
ブロック７１０において、共通の入力（たとえば、共通ポート１２０に接続された伝送線３０）は、第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎを介して、第１の出力乃至最後の出力に接続されている。
【００６５】
第１の出力乃至最後の出力は、おのおの互いに分離され、これによって、第１の出力乃至最後の出力からの信号漏洩を回避する。第１のフィルタ乃至最後のフィルタは、異なる周波数のセットで信号（たとえば、マイクロ波信号１５０＿１〜１５０＿Ｎ）を伝送するようにおのおの構成されている。第１のフィルタ乃至最後のフィルタ（たとえば、帯域通過フィルタ１０５＿１〜１０５＿Ｎ）は、おのおのパッシブであり、これによって、パッシブ・フィルタとして動作するための動作電力を必要とせず、電力利得を生成しない。
【００６６】
第１のフィルタ乃至最後のフィルタの第１のフィルタ１０５＿１は、周波数の第１のセットにおいてのみ信号を通過させるように構成され、第１のフィルタ乃至最後のフィルタのその次のフィルタ１０５＿２は、周波数のその次のセットにおいてのみ信号を通過させるように構成され、第１のフィルタ乃至最後のフィルタの最後のフィルタ１０５＿Ｎは、周波数の最後のセットにおいてのみ信号を通過させるように構成されている。周波数の第１のセット、その次のセット、および最後のセットのおのおのは、重複しない（すなわち、通過帯域が重複しない）。
【００６７】
第１の出力乃至最後の出力はそれぞれ、第１のポート（たとえば、ポート１）乃至最後のポート（たとえば、ポートＮ）を含む。第１のポート１乃至最後のポートＮはそれぞれ、第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎへ動作可能に接続されており、第１乃至最後の信号（たとえば、図４におけるマイクロ波信号１５０＿１〜１５０＿Ｎまたはマイクロ波信号１５０＿１〜１５０＿Ｚ）はそれぞれ、第１のポート乃至最後のポートを介して出力する。第１乃至最後の信号（たとえば、図４におけるマイクロ波信号１５０＿１〜１５０＿Ｎまたはマイクロ波信号１５０＿１〜１５０＿Ｚ）は、異なる周波数において、共通ポート１２０を介してともに入力される。
【００６８】
第１のインピーダンス変換器５０５＿１乃至最後のインピーダンス変換器５０５＿Ｎはそれぞれ、第１のポート１乃至最後のポートＮと、第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎとの間に接続されている。第１のインピーダンス変換器乃至最後のインピーダンス変換器は、図５で論じられたようなインピーダンス整合を提供するように構成されている。共通インピーダンス変換器５１０は、第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎと、共通ポート１２０との間に接続され、共通インピーダンス変換器５１０は、広帯域インピーダンス整合を提供するように構成されている。第１のフィルタ乃至最後のフィルタは超伝導であり、第１のフィルタ乃至最後のフィルタは、超伝導材料を含む。
【００６９】
１つまたは複数の実施形態は、超伝導システム３００を含む。第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎはそれぞれ、第１の量子システム３０５＿１乃至最後の量子システム３０５＿Ｎに接続するように構成されている。第１のフィルタ乃至最後のフィルタはそれぞれ、（それぞれ周波数ｆ１〜ｆＮを含む）第１の通過帯域乃至最後の通過帯域を有し、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域はおのおの異なる。共通の出力（たとえば、共通ポート１２０に接続された伝送線３０）は、第１のフィルタ１０５＿１乃至最後のフィルタ１０５＿Ｎを介して、第１の量子システム３０５＿１乃至最後の量子システム３０５＿Ｎに接続されている。
【００７０】
第１の量子システム３０５＿１乃至最後の量子システム３０５＿Ｎは、第１の共振周波数（たとえば、周波数ｆ１）乃至最後の共振周波数（ｆＮ）で共振するように構成されている。第１のフィルタ乃至最後のフィルタは、第１の共振周波数乃至最後の共振周波数それぞれのために伝送で動作する（信号を通過／伝送する）ように構成され、これによって、第１のフィルタ乃至最後のフィルタのおのおのは、第１の共振周波数ｆ１乃至最後の共振周波数ｆＮのうちの１つ（のみ）に関連付けられる。
【００７１】
第１のフィルタ乃至最後のフィルタは、第１の共振周波数乃至最後の共振周波数のうちの関連付けられた共振周波数を除いて、第１の共振周波数乃至最後の共振周波数のうちの他の任意の共振周波数のために反射で動作する（すなわち、遮断する）ように構成されている。言い換えれば、周波数ｆ１〜ｆＮは、量子システム３０５＿１〜３０５＿Ｎ共振周波数のうちの自身の共振周波数を１対１ベースで整合／重複させるように選択される。
【００７２】
技術的効果および利点は、周波数に基づいてマイクロ波信号を分離する技術およびデバイスを含み、これによって、デバイスが、駆動または読出あるいはその両方において使用されるマイクロ波信号を減衰させることなく、多数の量子ビットの読出および駆動を多重化することを可能にする。技術的利点はさらに、電力結合器と信号分配器における異なるポート間の分離も含む。
【００７３】
「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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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、または本明細書で説明さ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および思想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、本明細書で説明された実施形態を理解できるように選択された。
【図１】
2019535169.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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】
超伝導マイクロ波結合器であって、
第１のフィルタ乃至最後のフィルタであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の入力乃至最後の入力にそれぞれ接続し、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタはおのおの、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、前記第１の通過帯域乃至前記最後の通過帯域が、おのおの異なるようにしており、前記第１の入力乃至前記最後の入力は、互いに接続していない、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタと、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタを介して、前記第１の入力乃至前記最後の入力に接続された共通の出力であって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、超伝導であり、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、超伝導ランプ素子を含む、前記共通の出力と
を備えた、超伝導マイクロ波結合器。
【請求項２】
前記第１の入力乃至前記最後の入力はおのおの、互いに分離され、これによって、前記第１の入力乃至前記最後の入力からの信号漏洩を回避する、請求項１に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項３】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタはおのおの、異なる周波数のセットにおいて信号を伝送するように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、おのおのパッシブであり、これによって、パッシブ・フィルタとして動作するための動作電力を必要としない、請求項１に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項４】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記第１のフィルタは、周波数の第１のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの次のフィルタは、周波数の次のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記最後のフィルタは、周波数の最後のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、周波数の前記第１のセット、前記次のセット、および前記最後のセットのおのおのは、重複しない、請求項３に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項５】
前記第１の入力乃至前記最後の入力は、第１のポート乃至最後のポートをそれぞれ含み、
前記第１のポート乃至前記最後のポートは、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタに動作可能にそれぞれ接続され、前記第１のポート乃至前記最後のポートを介してそれぞれ入力された第１乃至最後の信号が結合され、共通ポートを介して出力されるようにしている、請求項１に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項６】
第１のインピーダンス変換器乃至最後のインピーダンス変換器は、前記第１のポート乃至前記最後のポートと、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタとの間にそれぞれ接続され、前記第１のインピーダンス変換器乃至前記最後のインピーダンス変換器は、インピーダンス整合を提供するように構成され、
共通インピーダンス変換器が、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタと、前記共通ポートとの間に接続され、前記共通インピーダンス変換器は、インピーダンス整合を提供するように構成された、請求項５に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項７】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタが、超伝導材料を備えた、請求項１に記載の超伝導マイクロ波結合器。
【請求項８】
超伝導マイクロ波結合器を構成する方法であって、
第１のフィルタ乃至最後のフィルタを提供することであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の入力乃至最後の入力にそれぞれ接続し、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタはおのおの、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、前記第１の通過帯域乃至前記最後の通過帯域はおのおの異なるようにし、前記第１の入力乃至前記最後の入力は、互いに接続していない、前記提供することと、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタを介して、前記第１の入力乃至前記最後の入力に接続された共通の出力を提供することであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導であり、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導ランプ素子を含む、前記提供することと
を含む、方法。
【請求項９】
超伝導マイクロ波分配器であって、
第１のフィルタ乃至最後のフィルタであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の出力乃至最後の出力にそれぞれ接続し、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、前記第１の通過帯域乃至前記最後の通過帯域がおのおの異なるようにしている、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタと、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタを介して、前記第１の出力乃至前記最後の出力に接続された共通の入力であって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導であり、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導ランプ素子を含む、前記共通の入力と
を備えた、超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１０】
前記第１の出力乃至前記最後の出力はおのおの、互いに分離され、これによって、前記第１の出力乃至前記最後の出力からの信号漏洩を回避する、請求項９に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１１】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタはおのおの、異なる周波数のセットにおいて信号を伝送するように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、おのおのパッシブであり、これによって、パッシブ・フィルタとして動作するための動作電力を必要としない、請求項９に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１２】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記第１のフィルタは、周波数の第１のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの次のフィルタは、周波数の次のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタのうちの前記最後のフィルタは、周波数の最後のセットにおいてのみ前記信号を通過させるように構成され、周波数の前記第１のセット、前記次のセット、および前記最後のセットのおのおのは、重複しない、請求項１１に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１３】
前記第１の出力乃至前記最後の出力は、第１のポート乃至最後のポートをそれぞれ含み、
前記第１のポート乃至前記最後のポートは、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタにそれぞれ動作可能に接続され、前記第１のポート乃至前記最後のポートを介して第１乃至最後の信号がそれぞれ出力されるようにしており、前記第１乃至最後の信号は、共通ポートを介して入力される、請求項９に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１４】
第１のインピーダンス変換器乃至最後のインピーダンス変換器は、前記第１のポート乃至前記最後のポートと、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタとの間にそれぞれ接続され、前記第１のインピーダンス変換器乃至前記最後のインピーダンス変換器は、インピーダンス整合を提供するように構成され、
共通インピーダンス変換器が、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタと、前記共通ポートとの間に接続され、前記共通インピーダンス変換器は、インピーダンス整合を提供するように構成された、請求項１３に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１５】
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、超伝導材料を含む、請求項９に記載の超伝導マイクロ波分配器。
【請求項１６】
超伝導マイクロ波分配器を構成する方法であって、
第１のフィルタ乃至最後のフィルタを提供することであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の出力乃至最後の出力にそれぞれ接続し、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは、第１の通過帯域乃至最後の通過帯域をそれぞれ有し、前記第１の通過帯域乃至前記最後の通過帯域がおのおの異なるようにし、前記第１の入力乃至前記最後の入力は、互いに接続していない、前記提供することと、
前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタを介して、前記第１の出力乃至前記最後の出力に接続された共通の入力を提供することであって、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導であり、前記第１のフィルタ乃至前記最後のフィルタは超伝導ランプ素子を含む、前記提供することと
を含む、方法。
【国際調査報告】
2019535169.tif 000013
2019535169.tif 000014