(57)【要約】  表面弾性波を混合する超伝導デバイスとそれを製作する技術が提供される。超伝導デバイスが、第１の低損失圧電誘電体基板を含む第１の表面弾性波共振器を含み得る。超伝導デバイスは、第２の低損失圧電誘電体基板を含む第２の表面弾性波共振器も含み得る。また、超伝導デバイスは、第１の表面弾性波共振器と第２の表面弾性波共振器とに結合されたジョセフソン・リング変調器を含み得る。ジョセフソン・リング変調器は、分散非線形３波混合素子である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面弾性波共振器と、
第２の表面弾性波共振器と、
前記第１の表面弾性波共振器と前記第２の表面弾性波共振器とに結合されたジョセフソン・リング変調器とを含む、超伝導デバイス。
【請求項２】
前記ジョセフソン・リング変調器は分散非線形３波混合素子であり、
前記第１の表面弾性波共振器は第１の低損失圧電誘電体基板を含み、
前記第２の表面弾性波共振器は第２の低損失圧電誘電体基板を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１の表面弾性波共振器は第１の超伝導線を介して前記ジョセフソン・リング変調器の第１のノードに結合され、第２の超伝導線を介して前記ジョセフソン・リング変調器の第２のノードに結合され、前記第１の超伝導線と前記第２の超伝導線とが同じ長さを含み、
前記第２の表面弾性波共振器が第３の超伝導線を介して前記ジョセフソン・リング変調器の第３のノードに結合され、第４の超伝導線を介して前記ジョセフソン・リング変調器の第４のノードに結合され、前記第３の超伝導線と前記第４の超伝導線とが同じ長さを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の表面弾性波共振器が前記第２の表面弾性波共振器から空間的およびスペクトル的に離隔されている、請求項２または３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１の表面弾性波共振器が第１の超伝導ブラッグ・ミラーと、前記第１の超伝導ブラッグ・ミラーから第１の距離だけ離隔された第２の超伝導ブラッグ・ミラーとを含み、前記第２の表面弾性波共振器が第３の超伝導ブラッグ・ミラーと、前記第３の超伝導ブラッグ・ミラーから第２の距離だけ離隔された第４の超伝導ブラッグ・ミラーとを含み、前記第１の距離と前記第２の距離とが前記第１の表面弾性波共振器と前記第２の表面弾性波共振器とによってサポートされている半波長の奇数整数倍である、請求項２または３に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１の表面弾性波共振器の第１の中心に配置された第１の櫛形キャパシタンス・デバイスであって、前記ジョセフソン・リング変調器の向かい合ったノードの第１の組が前記第１の櫛形キャパシタンス・デバイスの向かい合ったノードに接続された、前記第１の櫛形キャパシタンス・デバイスと、
前記第２の表面弾性波共振器の第２の中心に配置された第２の櫛形キャパシタンス・デバイスであって、前記ジョセフソン・リング変調器の向かい合ったノードの第２の組が前記第２の櫛形キャパシタンス・デバイスの向かい合ったノードに接続された、前記第２の櫛形キャパシタンス・デバイスとをさらに含む、請求項２または３に記載のデバイス。
【請求項７】
第１の超伝導線を介してポンプの第１のポートに接続された第１の結合キャパシタと、
第２の超伝導線を介して前記ポンプの第２のポートに接続された第２の結合キャパシタとをさらに含み、前記第１の超伝導線と前記第２の超伝導線とが位相整合されている、請求項２に記載のデバイス。
【請求項８】
第１の櫛形キャパシタンス・デバイスを介して前記第１の表面弾性波共振器に結合され、前記第１の表面弾性波共振器の第１の入力信号と第１の出力信号とを搬送する第１の外部供給線と、
第２の櫛形キャパシタンス・デバイスを介して前記第２の表面弾性波共振器に結合され、前記第２の表面弾性波共振器の第２の入力信号と第２の出力信号とを搬送する第２の外部供給線とをさらに含む、請求項２または３に記載のデバイス。
【請求項９】
前記ジョセフソン・リング変調器に結合されたポンプ・ポートをさらに含み、前記ポンプ・ポートを介して前記ジョセフソン・リング変調器にポンプ・ドライブが注入される、請求項２または３に記載のデバイス。
【請求項１０】
１つまたは複数の外部超伝導磁気コイルをさらに含み、前記１つまたは複数の外部超伝導磁気コイルを介して前記ジョセフソン・リング変調器を通る磁束が誘起される、請求項２に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第１の低損失圧電誘電体基板と前記第２の低損失圧電誘電体基板とが、石英と、ガリウム・ヒ素と、ニオブ酸リチウムと、酸化亜鉛とからなる材料のグループから選択された材料を含む、請求項２に記載のデバイス。
【請求項１２】
第１の超伝導表面弾性波共振器をジョセフソン・リング変調器に結合することと、
第２の超伝導表面弾性波共振器を前記ジョセフソン・リング変調器に結合することとを含む方法であって、
前記ジョセフソン・リング変調器は、ホイートストン・ブリッジ構成に配置された１つまたは複数のジョセフソン接合を含み、前記ジョセフソン・リング変調器は分散非線形３波混合素子である、方法。
【請求項１３】
第１の超伝導ブラッグ・ミラーを第２の超伝導ブラッグ・ミラーから第１の距離だけ離隔することを含む前記第１の超伝導表面弾性波共振器を形成することと、
第３の超伝導ブラッグ・ミラーを第４の超伝導ブラッグ・ミラーから第２の距離だけ離隔することを含む前記第２の超伝導表面弾性波共振器を形成することとをさらに含み、
前記第１の距離と前記第２の距離とは、前記第１の超伝導表面弾性波共振器と前記第２の超伝導表面弾性波共振器とによってサポートされている半波長の奇数整数倍である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の超伝導表面弾性波共振器の第１の中心に第１の櫛形キャパシタンス・デバイスを配置することであって、前記ジョセフソン・リング変調器の向かい合ったノードの第１の組が前記第１の櫛形キャパシタンス・デバイスの向かい合ったノードに接続される、前記第１の櫛形キャパシタンス・デバイスを配置することと、
前記第２の超伝導表面弾性波共振器の第２の中心に第２の櫛形キャパシタンス・デバイスを配置することであって、前記ジョセフソン・リング変調器の向かい合ったノードの第２の組が前記第２の櫛形キャパシタンス・デバイスの向かい合ったノードに接続される、前記第２の櫛形キャパシタンス・デバイスを配置することとをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
第１の結合キャパシタを第１の超伝導線を介してポンプの第１のポートに接続することと、
第２の結合キャパシタを第２の超伝導線を介して前記ポンプの第２のポートに接続することとをさらに含み、
前記第１の超伝導線と前記第２の超伝導線とが位相整合される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の超伝導表面弾性波共振器の第１の入力信号と第１の出力信号とを搬送する第１の外部供給線を、第１の櫛形キャパシタンス・デバイスを介して前記第１の超伝導表面弾性波共振器に結合することと、
前記第２の超伝導表面弾性波共振器の第２の入力信号と第２の出力信号とを搬送する第２の外部供給線を、第２の櫛形キャパシタンス・デバイスを介して前記第２の超伝導表面弾性波共振器に結合することとをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジョセフソン・リング変調器への表面弾性波共振器の結合に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子回路において、２つの超伝導マイクロ波共振器にジョセフソン・リング変調器（Josephson ring modulator：ＪＲＭ）が結合され、２つの超伝導マイクロ波共振器によってサポートされているディファレンシャル・モードとＪＲＭに供給される非共振共通ドライブとの間で３波混合が行われる。ＪＲＭを２つの超伝導マイクロ波共振器に結合することに起因して、このデバイスはディファレンシャル・モードの周波数の選択に限界があり、それによって１つまたは複数の問題が生じ得る。例えば、ＪＲＭを低周波伝送線共振器に接続することには、広い面積（例えば広い実装面積）を占有するなど、様々な問題があり得る。もう１つの問題は、ＪＲＭのインダクタンスと比較して、低共振周波数伝送線に付随する比較的大きな線形インダクタンスである。この結果として、関与率が著しく減少する可能性があり、それによって動作のために共振器のきわめて高い外部Ｑ値（Ｑ）を必要とする。しかし、共振器の高い外部Ｑ値は、きわめて狭い動的帯域幅をもたらす可能性があり、それによってデバイスの可用性と実用性が大幅に制限されるため、望ましくない。
【０００３】
さらに、ＪＲＭを低周波集中素子共振器に結合するには、大きな集中キャパシタンスと大きな集中インダクタンスの使用を必要とすることがある。大きな集中キャパシタンスとインダクタンスは、実際に実現するのが困難である。大きなキャパシタンスにはかなりの損失がある可能性があり（デバイスの内部Ｑを低下させる）、その結果、量子信号の相当な部分を失わせる可能性がある。大きな幾何学的インダクタンスには、通常、有用性を制限する寄生容量という欠点がある。大きな力学インダクタンスは、通常、製造と集積が難しい非従来型の微細超伝導体に依拠する。
【発明の概要】
【０００４】
以下に、本発明の１つまたは複数の実施形態の基本的理解のために発明の概要を示す。本概要は、重要または不可欠な要素を特定すること、または、特定の実施形態のいかなる範囲または特許請求のいかなる範囲も明示することを意図していない。その唯一の目的は、後で示すより詳細な説明の前置きとして概念を簡略化された形態で示すことである。本明細書に記載の１つまたは複数の実施形態において、表面弾性波を混合するデバイスおよび方法について説明する。
【０００５】
本発明の一実施形態によると、超伝導デバイスが、第１の低損失圧電誘電体基板を含む第１の表面弾性波（surface acoustic wave：ＳＡＷ）共振器を含み得る。超伝導デバイスは、第２の低損失圧電誘電体基板を含む第２のＳＡＷ共振器も含み得る。また、超伝導デバイスは、第１のＳＡＷ共振器と第２のＳＡＷ共振器とに結合されたＪＲＭを含み得る。ＪＲＭは、分散非線形３波混合素子とすることができる。このような超伝導デバイスの利点は、第１のＳＡＷ共振器と第２のＳＡＷ共振器のマイクロ波周波数間で無散逸３波混合および増幅を行うことができることである。
【０００６】
一部の例では、第１のＳＡＷ共振器は、第１の超伝導ブラッグ・ミラーと、第１の超伝導ブラッグ・ミラーから第１の距離だけ離隔された第２の超伝導ブラッグ・ミラーとを含み得る。第２のＳＡＷ共振器は、第３の超伝導ブラッグ・ミラーと、第３の超伝導ブラッグ・ミラーから第２の距離だけ離隔された第４の超伝導ブラッグ・ミラーとを含み得る。第１の距離と第２の距離は、第１のＳＡＷ共振器と第２のＳＡＷ共振器とによりサポートされている半波長の奇数整数倍とすることができる。このような超伝導デバイスの利点は、超伝導デバイスが超伝導表面弾性波共振器の単一モード、数モード、または多モードにわたって動作可能であることである。
【０００７】
一部の実装形態によると、超伝導デバイスは、第１の櫛形キャパシタンス（interdigitated capacitance：ＩＤＣ）デバイスを介して第１のＳＡＷ共振器に結合された第１の外部供給線も含み得るので有利である。第１の外部供給線は、第１のＳＡＷ共振器の第１の入力信号と第１の出力信号とを搬送する。また、超伝導デバイスは、第２のＩＤＣデバイスを介して第２のＳＡＷ共振器に結合された第２の外部供給線を含み得る。第２の外部供給線は、第２のＳＡＷ共振器の第２の入力信号と第２の出力信号とを搬送する。このような超伝導デバイスの利点は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器と第２の超伝導ＳＡＷ共振器の周波数を、受信、混合および増幅することができることである。
【０００８】
本発明の一実施形態によると、ＪＲＭと、第１のＳＡＷ共振器と、第２のＳＡＷ共振器とを含み得る超伝導回路が提供される。第１のＳＡＷ共振器は、第１の超伝導線を介してＪＲＭの第１のノードに結合され、第２の超伝導線を介してＪＲＭの第２のノードに結合され得る。第１の超伝導線と第２の超伝導線は同じ長さを含み得る。第２のＳＡＷ共振器は、第３の超伝導線を介してＪＲＭの第３のノードに結合され、第４の超伝導線を介してＪＲＭの第４のノードに結合され得る。第３の超伝導線と第４の超伝導線は同じ長さを含み得る。第１のＳＡＷ共振器は、第２のＳＡＷ共振器から空間的およびスペクトル的に離隔されている。このような超伝導回路の利点は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器と第２の超伝導ＳＡＷ共振器の低マイクロ波周波数間の無散逸３波混合および増幅を容易にすることができることである。
【０００９】
一部の実装形態によると、超伝導回路は、第１のＩＤＣデバイスを介して第１のＳＡＷ共振器に結合された第１の外部供給線を含み得る。第１の外部供給線は、第１のＳＡＷ共振器の第１の入力信号と第１の出力信号とを搬送することができる。超伝導回路は、第２のＩＤＣデバイスを介して第２のＳＡＷ共振器に結合された第２の外部供給線も含み得る。第２の外部供給線は、第２のＳＡＷ共振器の第２の入力信号と第２の出力信号とを搬送することができる。このような超伝導回路の利点は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器の周波数の第１の組と、第２の超伝導ＳＡＷ共振器の周波数の第２の組とを、受信、混合および増幅することができることである。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器をＪＲＭに結合することを含み得る方法に関する。この方法は、ＪＲＭに第２の超伝導ＳＡＷ共振器を結合することも含み得る。ＪＲＭは、ホイートストン・ブリッジ構成に配置されたジョセフソン接合を含み得る。また、ＪＲＭは、分散非線形３波混合素子とすることができる。このような方法の利点は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器の第１のマイクロ波周波数と第２の超伝導ＳＡＷ共振器の第２のマイクロ波周波数との無散逸３波混合を行うことができる超伝導デバイスを製作することができることである。
【００１１】
本発明の他の実施形態は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器の第１の中心に配置された第１のＩＤＣデバイスを含む第１の超伝導ＳＡＷ共振器を含み得る超伝導デバイスに関する。第１のＳＡＷ共振器は、第１の超伝導ブラッグ・ミラーと、第１の超伝導ブラッグ・ミラーから第１の距離だけ離隔された第２の超伝導ブラッグ・ミラーも含み得る。超伝導デバイスは、第２の超伝導ＳＡＷ共振器の第２の中心に配置された第２のＩＤＣデバイスを含む第２の超伝導ＳＡＷ共振器も含み得る。第２の超伝導ＳＡＷ共振器は、第３の超伝導ブラッグ・ミラーと、第３の超伝導ブラッグ・ミラーから第２の距離だけ離隔された第４の超伝導ブラッグ・ミラーも含み得る。第１の距離と第２の距離は、第１のＳＡＷ共振器と第２のＳＡＷ共振器とによりサポートされている半波長の奇数整数倍である。また、超伝導デバイスは、第１の超伝導ＳＡＷ共振器と第２の超伝導ＳＡＷ共振器とに結合されたＪＲＭを含み得る。ＪＲＭの向かい合ったノードの第１の組が、第１のＩＤＣデバイスの向かい合ったノードに接続され得る。ＪＲＭの向かい合ったノードの第２の組が、第２のＩＤＣデバイスの向かい合ったノードに接続され得る。このような超伝導デバイスの利点は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器のマイクロ波周波数と第２の超伝導ＳＡＷ共振器のマイクロ波周波数との間で無散逸３波混合および増幅を行うことができる一方、低損失共振器の使用により占有面積が小さいことである。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、第１の超伝導ブラッグ・ミラーと、第１の超伝導ブラッグ・ミラーから第１の距離だけ離隔された第２の超伝導ブラッグ・ミラーとを含む第１の超伝導ＳＡＷ共振器を含む超伝導デバイスに関する。超伝導デバイスは、第３の超伝導ブラッグ・ミラーと、第３の超伝導ブラッグ・ミラーから第２の距離だけ離隔された第４の超伝導ブラッグ・ミラーとを含む第２の超伝導ＳＡＷ共振器も含み得る。第１の距離と第２の距離は、第１の表面弾性波共振器と第２の表面弾性波共振器とによってサポートされている半波長の奇数整数倍である。また、第２の超伝導表面弾性波共振器は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器から空間的およびスペクトル的に離隔され得る。また、超伝導デバイスは、向かい合ったノードの第１の組と第２の組とを含むＪＲＭを含み得る。ＪＲＭは、向かい合ったノードの第１の組を介して第１の超伝導ＳＡＷ共振器に接続され、向かい合ったノードの第２の組を介して第２の超伝導ＳＡＷ共振器に接続され得る。このような超伝導デバイスの利点は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器のマイクロ波周波数と第２の超伝導ＳＡＷ共振器のマイクロ波周波数との間で無散逸３波混合および増幅を行うことができる一方、低損失共振器の使用により占有面積が小さいことである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による回路を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による２つの超伝導ＳＡＷ共振器を含む回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による、ＪＲＭに結合されたＳＡＷ共振器を含む超伝導デバイスの回路を示す回路図である。
【図４】本発明の一実施形態によるデバイスの製作方法を示す流れ図である。
【図５】本発明の一実施形態による、２つの超伝導ＳＡＷ共振器を含むデバイスの製作方法を示す流れ図である。
【図６】本発明の一実施形態による、ポンプ・ドライブ・ポートを含むデバイスの製作方法を示す流れ図である。
【図７】本発明の一実施形態による、外部供給線を含むデバイスの製作方法を示す流れ図である。
【図８】本発明の一実施形態による、超伝導量子デバイスの製作方法を示す流れ図である。
【図９】本発明の一実施形態による、外部供給線を含む超伝導量子デバイスの製作方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の詳細な説明は例示に過ぎず、本発明の実施形態、または本発明の適用または使用、あるいはその両方を限定することを意図していない。また、上記の「背景技術」の項または「発明の概要」の項、または「発明を実施するための形態」の項に示されているいかなる明示または暗黙の情報によっても制約されることを意図していない。
【００１５】
以下、本発明の１つまたは複数の実施形態について、図面を参照しながら説明する。全図面を通して、同様の要素を参照するために同様の参照番号が使用されている。以下の説明では、説明を目的として、本発明の実施形態をよりよく理解することができるようにするために多くの特定の詳細が記載されている。しかし、様々な場合において、これらの実施形態はこれらの詳細がなくても実施可能であることは明らかである。
【００１６】
回路、より具体的には量子回路に関して、ＪＲＭが２つの超伝導マイクロ波共振器に結合されている場合、ＪＲＭに結合するディファレンシャル・モードの選択について限界がある。例えば、ＪＲＭを低周波伝送線共振器に結合することに付随する問題は、デバイスによって占有される面積が大きいことである。本明細書に記載の超伝導デバイス、超伝導回路および方法によって提供される解決策は、２つの超伝導ＳＡＷ共振器を使用することである。これらの超伝導ＳＡＷ共振器は、超伝導波長共振器と比較してコンパクトであり、したがって超伝導デバイスの大きさが縮小される。
【００１７】
従来技術の超伝導デバイス（例えば、２つの超伝導マイクロ波共振器を使用するデバイス）に付随するもう１つの問題は、従来技術の超伝導デバイスが５ギガヘルツ（ＧＨｚ）と１５ＧＨｚの間の周波数の混合に限定されていることである。本明細書に記載の様々な超伝導デバイス、回路および方法は、低マイクロ波周波数（例えば約０．１ＧＨｚから約４ＧＨｚ）間の無散逸の３波混合および増幅を可能にする超伝導ＳＡＷ共振器の利用により、この問題を解決する。このような低マイクロ波周波数での動作は、伝送線共振器を使用すること、または従来技術の超伝導デバイスに備わっている集中素子を使用することによっては得られない。
【００１８】
従来技術の超伝導デバイスの上記の問題に鑑み、超伝導デバイス、超伝導回路、およびこれらを製作する方法の形態で上記の問題のうちの１つまたは複数の問題の解決策を提供するために、本明細書で示す様々な態様を実装することができる。このようなデバイス、回路および方法は、従来の技術と比較して縮小されたサイズと低損失の共振器という利点を有し得る。
【００１９】
一部の実装形態によると、デバイスは、表面弾性波（フォノン）のためのジョセフソン・ミキサとして、または２つの表面弾性波間の低損失周波数変換器として、または表面弾性波のための非縮退パラメトリック・ジョセフソン増幅器として、または２つのフォノン・モードの（例えば２つのフォノン・モード間の量子もつれを生じさせる）エンタングラとして、あるいはこれらの組合せとして機能することができる。
【００２０】
図１は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２と、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４と、ＪＲＭ１０６とを含む回路１００を示すブロック図である。
【００２１】
超伝導キュービット空間を含む１つの量子ハードウェアにおいて、量子ハードウェア上でゲート動作または測定を実装する機構が、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２または第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４あるいはその両方によってマイクロ波信号を生成またはマイクロ波信号を受信する。本明細書に記載のように、一部の実装形態によると、回路１００は、表面弾性波（フォノン）間のジョセフソン・ミキサとして、または２つの表面弾性波間の無損失周波数変換器として、または表面弾性波のための非縮退パラメトリック・ジョセフソン増幅器として、または２つのフォノン・モードのエンタングラとして、あるいはこれらの組合せとして動作することができる。
【００２２】
ＳＡＷ共振器は、フォノンのための電気機械共振器であり、約０．５ＧＨｚから５ＧＨｚのマイクロ波周波数で共振することができる。ＳＡＷ共振器（またはＳＡＷフィルタ）は、多くの遠隔通信用途（例えば携帯電話）で使用される。ＳＡＷ共振器は、本明細書で説明するように、マイクロ波領域における量子コンピューティング用途および量子回路においても有用となり得る。また、表面弾性波共振器は、１０５を超え得る高い内部クォリティ（Ｑ）値を有することができる。したがって、ＳＡＷ共振器は、きわめて低損失となり得る。さらに、ＳＡＷ共振器はきわめてコンパクトである。例えば、表面弾性波共振波長はきわめて短い（例えば１マイクロ・メートル未満、すなわち＜１μｍ）。
【００２３】
第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２は、第１の共振周波数を含むことができ、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４は第２の共振周波数を含むことができる。また、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２と第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４は、それぞれの低損失圧電誘電体基板上に実装可能である。低損失圧電誘電体基板は、石英、ガリウム・ヒ素、ニオブ酸リチウム、または酸化亜鉛、あるいはこれらの組合せなどを含む材料のグループから選択された材料を含み得る。
【００２４】
ＪＲＭ１０６は、ジョセフソン・トンネル接合に基づくことができるデバイスである。例えば、ＪＲＭ１０６は、ホイートストン・ブリッジ構成に配置されたジョセフソン接合を含み得る。ジョセフソン接合は、アルミニウムとニオブとを含む材料のグループから選択された材料を含み得る。また、ＪＲＭ１０６は、損失なしにマイクロ波帯における非縮退混合を行うことができる。一部の実装形態によると、ＪＲＭ１０６は、分散非線形３波混合素子とすることができる。
【００２５】
ＪＲＭ１０６は、２つのディファレンシャル・モードと２つのコモン・モード（そのうちの１つはゼロ周波数におけるものであり、したがって本明細書に記載の１つまたは複数の実施形態には適用されない）をサポートすることができる。ＪＲＭ１０６を適合する（２つのディファレンシャル・マイクロ波モードをサポートする）電磁環境に結合することによって、回路１００は、マイクロ波領域における無損失周波数変換、または量子限界におけるパラメトリック増幅（例えばマイクロ波領域の量子信号の増幅）、または２モード・スクイージングの生成、あるいはこれらの組合せなど、様々な量子処理動作を行うために使用することができる。
【００２６】
ジョセフソン接合は、第１のジョセフソン接合１０８と、第２のジョセフソン接合１１０と、第３のジョセフソン接合１１２と、第４のジョセフソン接合１１４として図示されている。ジョセフソン接合は、ループ状に形成することができる。また、ジョセフソン接合は、本明細書に記載のように混合を行うために使用することができる。
【００２７】
ＪＲＭ１０６は、（ループの内部に）４つの追加の接合も含むことができ、これらは一部の実装形態によるとシャント接合とすることができる。これらの４つの追加の接合を、第１の内部接合１１６、第２の内部接合１１８、第３の内部接合１２０、および第４の内部接合１２２としてラベル付けする。４つの内部接合は、回路１００の周波数の同調を容易にすることができる。この同調性は、外部磁束の印加により得られる。この構成では、４つの内部接合は、外部ループ上の接合よりも大きく、外部ジョセフソン接合をシャントする線形インダクタとして機能することができる。内部ループに外部磁束を通すことによって、ＪＲＭ１０６の総インダクタンスが変化することができ、これによりＪＲＭ１０６に結合された共振器の共振周波数の変化を引き起こすことができる。
【００２８】
さらに、ＪＲＭ１０６の構成は、外部接合どうしが接続する点またはノードを規定する。したがって、ＪＲＭ１０６の下部に第１のノード１２４、ＪＲＭ１０６の右側に第２のノード１２６、ＪＲＭ１０６の上部に第３のノード１２８、ＪＲＭ１０６の左側に第４のノード１３０が存在し得る。なお、下部、右側、上部および左側という用語は、開示の態様について図面を基に説明することを目的としたものであり、開示の態様はＪＲＭ１０６または回路１００あるいはその両方およびこれらに付随する回路のいかなる特定の面または向きにも限定されないことに留意されたい。
【００２９】
４つのノードは、回路１００により対応可能なディファレンシャル・モードとコモン・モードとを規定するために使用することができる。モードは直交可能であり、互いに重なり合わない。また、図のように、ノードは物理的に直交することができる。例えば、第１のノード１２４と第３のノード１２８とが互いに対して垂直であり、第２のノード１２６と第４のノード１３０とが互いに対して水平である。
【００３０】
ノードは、ＪＲＭ１０６を第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２と第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４とに結合するために使用することができる。例えば、ＪＲＭ１０６を第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２に動作可能に結合するために、向かい合ったノードの第１の組（例えば第１のノード１２４と第３のノード１２８）を選定することができる。第１のノード１２４を第１の超伝導線１３２（または第１のリード線）を介して第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２に結合することができ、第３のノード１２８を第２の超伝導線１３４（または第２のリード線）を介して第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２に結合することができる。
【００３１】
ＪＲＭ１０６を第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４に動作可能に結合するために、向かい合ったノードの第２の組（例えば第２のノード１２６と第４のノード１３０）を選定することができる。例えば、第２のノード１２６を第３の超伝導線１３６（または第３のリード線）を介して第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４に結合することができ、第４のノード１３０を第４の超伝導線１３８（または第４のリード線）を介して第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４に結合することができる。
【００３２】
図のように、第１の超伝導線１３２と第２の超伝導線１３４を、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２の異なる場所で第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２に結合することができる。また、第３の超伝導線１３６と第４の超伝導線１３８を、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４の異なる場所で第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４に結合することができる。結合場所に関するさらなる詳細を、図３を基に以下に示す。
【００３３】
第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２と、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４と、ＪＲＭ１０６とは、周波数変換器／ミキサ／増幅器／エンタングラ・デバイスの一部である。このデバイスは、デバイスのＳＡＷポート（例えばアイドラ・ポート）またはＳＡＷポート（例えばシグナル・ポート）あるいはその両方に接続された他の量子デバイスからマイクロ波周波数で外部マイクロ波光子またはフォノンを受信することができる。
【００３４】
回路１００と、本明細書に記載の他の態様は、本明細書に記載の１つまたは複数の実施形態による量子情報の操作を容易にするデバイスで利用することができる。本開示で説明されているデバイス（例えば回路１００など）、システム、装置またはプロセスの態様は、マシン内で具現化、例えば１つまたは複数のマシンに付随する１つまたは複数のコンピュータ可読媒体（または複数の媒体）で具現化されたマシン実行可能コンポーネントを構成することができる。このようなコンポーネントは、１つまたは複数のマシン、例えばコンピュータ、コンピューティング・デバイス、仮想マシンなどによって実行されると、記載されている動作をマシンに行わせることができる。
【００３５】
様々な実施形態において、デバイスは、プロセッサを含むかまたは有線または無線あるいはその両方のネットワークとの有効な通信または動作可能な通信が可能であり得るか、あるいはその両方である、任意の種類の構成要素、マシン、システム、デバイス、機構、装置、または機器あるいはこれらの組合せとすることができる。デバイスを含み得る構成要素、マシン、装置、システム、デバイス、機構または機器あるいはこれらの組合せには、タブレット・コンピューティング・デバイス、ハンドヘルド・デバイス、サーバ・クラス・コンピューティング・マシンまたはデータベースあるいはこれらの組合せ、ラップトップ・コンピュータ、ノートブック・コンピュータ、デスクトップ・コンピュータ、携帯電話、スマートフォン、民生用機器または器具あるいはこれらの組合せ、産業用または商用あるいはその両方のデバイス、ハンドヘルド・デバイス、デジタル・アシスタント、マルチメディア・インターネット対応電話、マルチメディア・プレイヤなどが含まれ得る。
【００３６】
様々な実施形態において、デバイスは、量子回路、量子プロセッサ、量子コンピューティング、人工知能、薬剤および材料、サプライ・チェーンおよび物流、金融サービス、またはその他のデジタル技術あるいはこれらの組合せなどの技術であるがこれらには限定されない技術に関連する、量子コンピューティング・デバイスまたは量子コンピューティング・システムとすることができる。回路１００は、抽象的ではなく、人間によって１組の精神的活動として行うことができない、高度に専門的な性質の問題を解決するために、ハードウェアまたはソフトウェアあるいはその両方を利用することができる。また、ある種の実施形態では、実行されるプロセスの一部を、機械学習に関連する定義済みタスクを実施するための１つまたは複数の専用コンピュータ（例えば、１つまたは複数の専用処理ユニット、量子コンピューティング構成要素を備えた専用コンピュータなど）によって実行することができる。
【００３７】
デバイスまたはデバイスの構成要素あるいはその両方は、上記の技術、またはコンピュータ・アーキテクチャあるいはその両方などの進歩によって生じる新たな問題を解決するために利用することができる。デバイスの１つまたは複数の実施形態は、量子コンピューティング、量子回路、量子プロセッサ、人工知能またはその他のシステムあるいはこれらの組合せに技術的向上をもたらすことができる。回路１００の１つまたは複数の実施形態は、処理パフォーマンス、処理効率、処理特性、タイミング特性または電力効率あるいはこれらの組合せを向上させることによって、量子プロセッサ（例えば超伝導量子プロセッサ）に技術的向上をもたらすことができる。
【００３８】
図２は、２つの超伝導ＳＡＷ共振器を含む回路２００を示すブロック図である。
【００３９】
第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２は、第１の超伝導金属／誘電体反射鏡（例えば第１のブラッグ・ミラー２０２）と第２の超伝導金属／誘電体反射鏡（例えば第２のブラッグ・ミラー２０４）を含み得る。第１のブラッグ・ミラー２０２は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２によってサポートされている半波長の奇数整数倍の距離だけ第２のブラッグ・ミラー２０４から離隔され得る。ブラッグ・ミラーは、互いから規定距離に位置する金属フィンガと誘電体間隙とからなるそれぞれの周期的構造を含む。
【００４０】
一部の実装形態によると、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２は、低損失圧電誘電体基板（図示せず）に取り付ける（例えば実装する）ことができる。低損失圧電誘電体基板は、石英、ガリウム・ヒ素、ニオブ酸リチウム、および酸化亜鉛または同様の材料のうちの１つまたは複数を含む材料のグループから選択された材料を含み得る。
【００４１】
また、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２には、第１のＩＤＣデバイス２０６と第２のＩＤＣデバイス２０８を含めることができる。第１のＩＤＣデバイス２０６は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２とＪＲＭ１０６との間に結合することができる。第２のＩＤＣデバイス２０８は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２と外部ポート（例えばシグナル・ポート２１０）との間に結合することができる。
【００４２】
例えば、第１のＩＤＣ２０６は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２の中心に配置することができる。ＪＲＭ１０６の向かい合ったノードの第１の組を、第１のＩＤＣデバイス２０６の向かい合ったノードに接続することができる。例えば、ＪＲＭ１０６の第１のノード１２４を（例えば第１の超伝導線１３２を介して）第１のＩＤＣデバイス２０６の第１の側に接続することができる。また、ＪＲＭ１０６の第３のノード１２８を、（例えば第２の超伝導線１３４を介して）第１のＩＤＣデバイス２０６の第２の側に接続することができる。
【００４３】
第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４は、（例えば第３のブラッグ・ミラー２１２として図示されている）第１の超伝導金属／誘電体反射鏡と、（例えば第４のブラッグ・ミラー２１４として図示されている）第２の超伝導金属／誘電体反射鏡とを含み得る。第３のブラッグ・ミラー２１２は、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４によってサポートされている半波長の奇数整数倍の距離だけ第４のブラッグ・ミラー２１４から離隔され得る。ブラッグ・ミラーは、互いから規定距離に位置する金属フィンガと誘電体間隙とからなるそれぞれの周期的構造を含む。
【００４４】
一部の実装形態によると、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４は、低損失圧電誘電体基板（図示せず）に取り付ける（例えば実装する）ことができる。低損失圧電誘電体基板は、石英、ガリウム・ヒ素、ニオブ酸リチウム、および酸化亜鉛または同様の材料のうちの１つまたは複数を含む材料のグループから選択された材料を含み得る。
【００４５】
また、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４は、第３のＩＤＣデバイス２１６と第４のＩＤＣデバイス２１８を含み得る。第３のＩＤＣデバイス２１６は、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４とＪＲＭ１０６との間に結合することができる。第４のＩＤＣデバイス２１８は、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４と外部ポート（例えばアイドラ・ポート２２０）との間に結合することができる。
【００４６】
例えば、第３のＩＤＣデバイス２１６は、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４の中心に配置することができる。ＪＲＭ１０６の向かい合ったノードの第２の組を、第３のＩＤＣデバイス２１６の向かい合ったノードに接続することができる。例えば、ＪＲＭ１０６の第２のノード１２６を、（例えば第３の超伝導線１３６を介して）第３のＩＤＣデバイス２１６の第１の側に接続することができる。また、ＪＲＭ１０６の第４のノード１３０を、（例えば第４の超伝導線１３８を介して）第３のＩＤＣデバイス２１６の第２の側に接続することができる。
【００４７】
回路１００は、第２のＩＤＣデバイス２０８を介して第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２に結合された第１の外部供給線２２２も含み得る。第１の外部供給線２２２は、シグナル・ポート２１０（例えば高周波（ｒｆ）源）に接続することができる。第１の外部供給線２２２は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２の１つまたは複数の入力信号と１つまたは複数の出力信号を搬送することができる。
【００４８】
第４のＩＤＣデバイス２１８を介して第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４に第２の外部供給線２２４を結合することができる。第２の外部供給線２２４はアイドラ・ポート２２０に接続することができる。第２の外部供給線２２４は、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４の１つまたは複数の入力信号と１つまたは複数の出力信号を搬送することができる。
【００４９】
また、ＪＲＭ１０６は、（例えば第１の超伝導線１３２と第２の超伝導線１３４、またはその他の配線への結合により）ポンプ・ポート２２６に動作可能に接続することができる。ポンプ・ポート２２６は、マイクロ波源に接続することができる。ポンプ・ポート２２６は、回路１００の動作のための必要エネルギーを供給することができる。例えば、ポンプ・ポート２２６からＪＲＭ１０６にポンプ・パワーが供給された時点でまたはその後で、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２と第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４とがＪＲＭ１０６を介して電気的に接続され得る。しかし、ポンプ・ポート２２６を介してパワーが供給されない（例えば電源がオフである）とき、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２と第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４は互いに電気的に分離され得る。
【００５０】
増幅のためには、アイドラ・ポート２２０に接続されたアイドラ伝送線（例えば第２の外部供給線２２４）上を伝播するマイクロ波信号があることが理想的となる。一実施例では、マイクロ波信号が弱く、マイクロ波信号は有用な何らかの量子情報を搬送するものとする。この情報は、回路１００に入り、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２によってサポートされているアイドラ・モードと信号モードとの間にパラメトリック増幅を生じさせることができるデバイスに（例えばポンプ・ポート２２６を介して）供給されるポンプ・トーンがある。この例では、シグナル・ポート２１０とアイドラ・ポート２２０の両方には入力信号は必要がない。そうではなく、一方のポート上でのみ信号が必要であり、他方のポートを介して量子雑音が入り得る。量子情報を搬送する決定論的信号と量子雑音とは、ポンプ・ドライブを介してデバイスによって混合されることができ、デバイスを出るときに増幅される。したがって、情報を搬送する信号は、シグナル・ポート２１０またはアイドラ・ポート２２０から入来し得るか、または、両方のポートに実質的に同時に入る情報を搬送する２つの信号を有し得る。説明を簡単にするために、信号は一方のポートを介して回路１００に入り、他方のポートは量子雑音のみを受信しているものとする。この場合、ポンプ（例えばポンプ・ポート２２６）とＪＲＭ１０６との相互作用により、コモン・モード（ポンプ）と２つのディファレンシャル・モード（アイドラおよびシグナル）との間に３波混合が起こる。ポンプ周波数がシグナル共振周波数とアイドラ共振周波数との合計である場合、デバイスは、量子限界付近で動作する位相保存パラメトリック増幅器として機能する。シグナル・ポート２１０とアイドラ・ポート２２０を出るそれぞれの出力信号は、両方のポートに入る入力信号の増幅された重ね合わせとすることができる。
【００５１】
一部の実装形態によると、ＪＲＭ１０６を通る磁束を１つまたは複数の外部超伝導磁気コイルを介して誘起することができる。例えば、デバイス・パッケージに取り付けられた外部超伝導磁気コイルを使用して、またはオンチップ磁束線を使用して、ＪＲＭ１０６を通る磁束を誘起することができる。
【００５２】
より詳細に、図３はＪＲＭに結合されたＳＡＷ共振器を含む超伝導デバイスの回路３００の回路図である。
【００５３】
図３では、図を簡単にするためにＪＲＭ１０６のジョセフソン接合と４つの内部接合には参照番号が付されていないことに留意されたい。しかし、説明のための接合の要素の番号付けは図１および図２のラベル付けと同じである。また、回路３００とそれに付随する構成要素は、一部の実装形態によると単一チップ上に実装可能である。
【００５４】
上記のように、ＪＲＭ１０６のノードは互いに垂直方向の向きとすることができる向かい合ったノードの第１の組を含み得る。例えば、向かい合ったノードの第１の組は、（例えば第１の超伝導線１３２と第２の超伝導線１３４を介して）ＪＲＭ１０６を第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２に動作可能に結合することができる、第１のノード１２４と第３のノード１２８とを含むことができる。また、ＪＲＭ１０６のノードは、水平な向きとすることができる向かい合ったノードの第２の組を含み得る。例えば、向かい合ったノードの第２の組は、（例えば第３の超伝導線１３６と第４の超伝導線１３８を介して）ＪＲＭ１０６を第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４に動作可能に結合することができる、第２のノード１２６と第４のノード１３０を含むことができる。水平方向または垂直方向あるいはその両方に関して図示し、説明しているが、本開示の態様はこの向きには限定されず、他の向きも使用可能であることに留意されたい。
【００５５】
向かい合ったノードの第１の組（例えば、第１のノード１２４と第３のノード１２８）を、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２の第１のＩＤＣデバイス２０６の向かい合った電極に結合することができ、それによって第１の直交モードを形成することができる。例えば、ＪＲＭ１０６の第１のノード１２４を、３０２に示す第１のＩＤＣデバイス２０６の第１の電極に（例えば第１の超伝導線１３２を介して）結合することができる。また、ＪＲＭ１０６の第３のノード１２８を、３０４に示す第１のＩＤＣデバイス２０６の第２の電極に（例えば第２の超伝導線１３４を介して）結合することができる。第１のＩＤＣデバイス２０６は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２の中心に配置することができる。
【００５６】
向かい合ったノードの第２の組（例えばノード１２６と第４のノード１３０）を、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４の第３のＩＤＣデバイス２１６の向かい合った電極に結合することができ、それによって第２の直交モードを形成することができる。例えば、ＪＲＭ１０６の第２のノード１２６を、３０６で示す第３のＩＤＣデバイス２１６の第１の電極に（例えば第３の超伝導線１３６を介して）結合することができる。また、ＪＲＭ１０６の第４のノード１３０を、３０８で示す第３のＩＤＣデバイス２１６の第２の電極に（例えば第４の超伝導線１３８を介して）結合することができる。第３のＩＤＣデバイス２１６は、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４の中心に配置することができる。
【００５７】
図のように、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２は、第１のＩＤＣデバイス２０６と、第２のＩＤＣデバイス２０８と、１組の金属／誘電体反射鏡（例えば第１のブラッグ・ミラー２０２と第２のブラッグ・ミラー２０４）とを含み得る。第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２の構成要素は、圧電基板上に実装可能である。例えば、圧電基板は、石英、ガリウムヒ素、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛、または同様の材料あるいはこれらの組合せなどを含む材料のグループから選択された材料を含み得る。
【００５８】
同様にして、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４は、第３のＩＤＣデバイス２１６と、第４のＩＤＣデバイス２１８と、１組の金属／誘電体反射鏡（例えば第３のブラッグ・ミラー２１２と第４のブラッグ・ミラー２１４）とを含み得る。第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４の構成要素も圧電基板上に実装可能である。
【００５９】
第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２および第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４にアクセスするために、異なるポートを使用することができる。例えば、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２にアクセスするためにシグナル・ポート２１０を使用することができ、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４にアクセスするためにアイドラ・ポート２２０を使用することができる。
【００６０】
シグナル・ポート２１０は、入力信号と出力信号を搬送するために使用することができる。したがって、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２からの出力信号を測定するために、ＩＤＣ（例えば第２のＩＤＣデバイス２０８）を第１のブラッグ・ミラー２０２と第２のブラッグ・ミラー２０４の間に配置することができる。互いに接続された１組のＩＤＣフィンガが、サポートされているフォノン・モードのｒｆ電圧アンチノード（最大／最小）に配置されている。したがって、フィンガ間の間隔は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２によってサポートされている波長によって決まり得る。
【００６１】
ＩＤＣの２つの連続したフィンガの中心間の距離は、λａ／２として一般的に表すことができる。一実装形態によると、ＩＤＣのそれぞれの２組のフィンガは相反する極性を有することができる。また、線３１２で示すように、第１のブラッグ・ミラー２０２と第２のブラッグ・ミラー２０４は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２によってサポートされている半波長の奇数整数倍の距離だけ互いに離隔することができる。規定されている距離はＬａと表すことができ、ここでＬａは、λａ／２の奇数整数倍数である。
【００６２】
アイドラ・ポート２２０は、入力信号と出力信号を搬送するために使用することができる。したがって、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４からの出力信号を測定するために、ＩＤＣ（例えば第４のＩＤＣデバイス２１８）を第３のブラッグ・ミラー２１２と第４のブラッグ・ミラー２１４の間に配置することができる。互いに接続された１組のＩＤＣフィンガが、サポートされているフォノン・モードのｒｆ電圧アンチノード（最大／最小）に配置されている。したがって、フィンガ間の間隔は、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４によってサポートされている波長によって決まり得る。
【００６３】
ＩＤＣの２つの連続したフィンガの中心間の距離は、λｂ／２として一般的に表すことができる。一実装形態によると、ＩＤＣのそれぞれの２組のフィンガは相反する極性を有することができる。また、第３のブラッグ・ミラー２１２と第４のブラッグ・ミラー２１４は、線３１４で示すように、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４によってサポートされている半波長の奇数整数倍の距離だけ離隔することができる。規定距離はＬｂと表すことができ、ここでＬｂはλｂ／２の奇数整数倍である。ただし、λｂ＜λａである。
【００６４】
マイクロ波トーンは、最大振幅と最小振幅とを有する波によって特徴づけられる。最小振幅は第１のＩＤＣデバイス２０６の１つのフィンガ（例えば３０２または３０４で示されている）に結合する必要があり、最大振幅は他方のフィンガ（例えば３０４または３０２で示されている）に結合する必要があり、この２つのフィンガはＪＲＭ１０６の向かい合ったノード（例えば第１のノード１２４と第３のノード１２８）に接続される。したがって、距離λａ／２は、第１のフィンガにおける最大と他方のフィンガにおける最小とを促すように選択することができる
【００６５】
同様にして、最小振幅は第３のＩＤＣデバイス２１６の１つのフィンガ（例えば３０６または３０８で示す）に結合する必要があり、最大振幅は他方のフィンガ（例えば３０８または３０６で示す）に結合する必要があり、この２つのフィンガはＪＲＭ１０６の向かい合ったノード（例えば第２のノード１２６と第４のノード１３０）に接続される。したがって、距離λｂ／２を、第１のフィンガにおける最大と他方のフィンガにおける最小を促すように選択することができる。
【００６６】
また、説明のために、最大振幅はプラス符号（または正の値）を有し、最小振幅はマイナス符号（または負の値）を有する。したがって、ＪＲＭ１０６の２つの向かい合ったノードを（第１のフィンガにおける）正のｒｆ電圧と（第２のフィンガにおける）負のｒｆ電圧によって励振することができる。これらの信号は、時間とともに交代し得る。しかし、これらの信号は常に互いに逆でなければならない。極性が異なる場合、ディファレンシャル・モードと呼ぶことがある（ここでディファレンシャルとは異符号を意味する）。したがって、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２によってＪＲＭ１０６の第１のディファレンシャル・モードがサポートされ、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４によってＪＲＭ１０６の第２のディファレンシャル・モードがサポートされる。
【００６７】
また、混合または増幅を行うために、デバイスの動作のためのマイクロ波エネルギーが供給される。混合または増幅あるいはその両方のためのエネルギー源は、ポンプ・ポート２２６を介して供給される。ポンプ・ポート２２６は、回路１００が動作するためのエネルギーを供給することができる強いコヒーレントな非共振マイクロ波トーンとすることができるマイクロ波信号を供給することができる。一部の実装形態によると、ポンプ・ポート２２６によって供給されるマイクロ波信号は、回路１００において行われる３波混合のエネルギー保存に基づいて決定される定義済みの式を満たす周波数を含み得る。
【００６８】
デバイスによって行われる増幅の一実施例では、第１の信号ｆａが第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２の帯域幅内にあり、第２の信号ｆｂが第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４の帯域幅内にある。また、第２の信号の周波数は第１の信号の周波数より大きくてよい（ｆｂ＞ｆａ）。両方の信号を増幅するために、ポンプ・ポート２２６を介して供給されるポンプ・トーンの周波数は、第１の信号と第２の信号の和（例えば、ｆａ＋ｆｂ）である必要がある。電磁信号のエネルギーは、その周波数に比例する。ポンプ（例えばポンプ・ポート２２６）周波数を和とすることによって、ポンプが分散性の非線形媒体（例えばＪＲＭ１０６）と相互作用する場合、ポンプのエネルギー光子がｆａにおける第１の組のフォノンとｆｂにおける第２の組のフォノンとに分かれるダウンコンバージョン・プロセスが発生し得る。周波数が和である場合、光子はこのように分割し得る。例えば、光子は、低い方の周波数ｆａにおける第１の半分（例えば光子の第１の組）と、高い方の周波数ｆｂにおける第２の半分（例えば光子の第２の組）に二分され得る。したがって、ポンプはシグナル・モードおよびアイドラ・モードとエネルギーを交換し、この交換によって両方のモードでもつれ光子が生成されるため、増幅が起こり得る。この場合、ポンプ周波数はｆａとｆｂとの差に等しくなければならない。ここではｆｂの方が大きく、したがって式はｆｂ−ｆａとなり得る。
【００６９】
図のように、第１のＩＤＣデバイス２０６と第２のＩＤＣデバイス２０８の間隙は、第３のＩＤＣデバイス２１６と第４のＩＤＣデバイス２１８の間隙（または距離）よりも大きい（例えばフィンガ間により大きな距離がある）。第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２の周波数ｆａは、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４の周波数ｆｂより低い。周波数と波長との間には１対１の対応関係がある。周波数は、表面を通過する光の速度または音の速度によってリンクされる。波長（λ）に周波数ｆを乗じた値が定数である場合、媒体中の光の速度または音の速度に等しい。積が固定しているため、一方を増大させると他方が減少し、その逆も同様である。したがって、周波数を低下させると対応する波長が増大し、逆も同様である。
【００７０】
一実装形態によると、混合プロセスにおいて、シグナル周波数の第１のＳＡＷ共振器におけるフォノンをアイドラ周波数の第２のＳＡＷ共振器におけるフォノンにアップコンバートすることができる。別の実装形態によると、アイドラ周波数の第２のＳＡＷ共振器におけるフォノンをシグナル周波数の第１のＳＡＷ共振器におけるフォノンにダウンコンバートすることができる。このエネルギー交換は、（例えばポンプ・ポート２２６を介して供給される）ポンプ・ドライブによって可能にすることができる。したがって、ポンプ光子が吸収されるかまたはポンプ光子が放出されて、このプロセスを促進する。
【００７１】
ポンプ・ポート２２６に印加されるポンプ信号がない場合、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２と第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４とは切り離され（互いに分離され）、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２と第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４との情報交換または情報伝達は行われない。ポンプ・ポート２２６にポンプ信号が印加されると同時にまたはその後で、ポンプ信号は図３に示すようにＪＲＭ１０６のコモン・モードを励起し、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２と第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４とが相互作用し、情報が交換される。
【００７２】
一部の実装形態によると、ポンプ・ドライブは、ＪＲＭ１０６の向かい合ったノードに容量結合された１８０度ハイブリッド３１６のシグマ・ポート３１８を介して供給され、これがＪＲＭ１０６のコモン・モードを励起する。一部の実装形態によると、１８０度ハイブリッド３１６はパワー・スプリッタとして動作する。
【００７３】
説明のためであって限定的ではなく、１８０度ハイブリッドは、４つのポートを含む受動マイクロ波構成要素である。第１のポートを総和ポート（例えばシグマ・ポート３１８）と呼ぶ。シグマ・ポート３１８に信号が入力された場合、信号は２つの他のポート（例えば、第２のポート３２０と第３のポート３２２）に等分される。第２のポート３２０と第３のポート３２２から出力される信号は同相を有し得る。したがって、分割された信号の相が等しいため第１のポートをシグマ・ポート３１８と呼ぶ。ポンプ・ドライブ（例えばポンプ・ポート２２６）を１８０度ハイブリッド３１６のシグマ・ポート３１８を介して供給することができる。
【００７４】
第４のポートをデルタ・ポート３２４（または差分ポート）と呼ぶことができる。（図３では５０オームで終端されている）１８０度ハイブリッドのデルタ・ポート３２４を通して信号が注入された場合、ハイブリッドは信号を２つのポート（例えば第２のポート３２０と第３のポート３２２）から出る２つの信号に分割することになるが、分割された信号は１８０度の位相差を有する。例えば、第１の信号が一方のポート（例えば第２のポート３２０）で最大値を有する場合、他方のポート（例えば第３のポート３２２）の第２の信号は最小値を有する。
【００７５】
第２のポート３２０から出る第１のリード線３２６と第３のポート３２２から出る第２のリード線３２８も図示されている。第２のポート３２０および第３のポートで出力される信号は、上述のようにポンプ信号の半分であり、同相を有する。これらの信号は、ＪＲＭ１０６の２つの向かい合ったノードに結合することができる小さい結合キャパシタ（例えば第１の結合キャパシタ３３０と第２の結合キャパシタ３３２）に至る。一部の実装形態によると、第１の結合キャパシタ３３０と第２の結合キャパシタ３３２は、ギャップ・キャパシタと、櫛形キャパシタと、平板キャパシタとを含むキャパシタのグループから選択されたそれぞれのキャパシタとすることができる。平板キャパシタに関しては、誘電材料は単一マイクロ波光子のレベルのきわめて低損失である必要がある。
【００７６】
第１の結合キャパシタ３３０は、（第１のＩＤＣデバイス２０６を介して）ＪＲＭ１０６の第１のノード１２４に結合することができ、第２の結合キャパシタ３３２はＪＲＭ１０６の第３のノード１２８に結合することができる。さらに詳細には、第１のリード線３２６と第２のリード線３２８は、ＪＲＭ１０６の２つの向かい合ったノードに結合する第１のＩＤＣデバイス２０６のフィンガの２つの異なる組（第２の電極３０４における第１の接点と第３の接点３３４に図示されている）に結合することができる。この接続は、ＪＲＭ１０６の異なるｒｆ符号ではなく等しい符号により２つの向かい合ったノードが励振されるＪＲＭ１０６のコモン・モードを励起することを可能にする。例えば、２つの向かい合ったノードを正−正信号または負−負信号で励振することができる。
【００７７】
第１のリード線３２６と第２のリード線３２８は、１８０度ハイブリッドのポート（例えば第２のポート３２０および第３のポート３２２）と結合キャパシタ（例えば、それぞれ第１の結合キャパシタ３３０および第２の結合キャパシタ３３２）との間の長さが等しい（例えば位相整合されている）必要がある接続超伝導線とすることができる。同様に、第１の超伝導線１３２と第２の超伝導線１３４の対と、第３の超伝導線１３６と第４の超伝導線１３８の対は、ＪＲＭ１０６の向かい合ったノードとＩＤＣ（例えば第１のＩＤＣデバイス２０６、第３のＩＤＣデバイス２１６）の電極との間の長さが等しい（例えば位相整合されている）必要がある接続超伝導線とすることができる。また、接続超伝導線は、可能な限り短く、幅広である（例えば直列インダクタンスが小さい）必要がある。
【００７８】
以下では、本明細書で開示されている様々な態様を理解することができるようにさらに技術的解説を示す。様々な圧電基板における音の速度は、光の速度よりも数桁（例えば約５桁、例えば１０５）遅い可能性がある。
【００７９】
第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２の有効長は、Ｌａよりわずかに長くすることができる。また、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４の有効長はＬｂよりわずかに長くすることができる。ブラッグ・ミラーの反射はミラーの縁端では起こらずブラッグ・ミラーの内部のある程度の侵入深度内で発生するため、長さはＬａおよびＬｂよりわずかに長い。
【００８０】
第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２または第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４あるいはその両方の有効長（Ｌｅｆｆ）と、圧電基板における音の速度（ｖｓ）は、以下のようにキャビティ自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を決定し得る。
【数１】
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ＳＡＷ共振器は、多モード（共振）をサポートする光子キャビティと類似し得る。キャビティ自由スペクトル領域パラメータは、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２または第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４あるいはその両方によってサポートされる多モード間の周波数間隔を決定し得る。
【００８１】
ブラッグ・ミラー間の間隔が大きいほど、Ｌｅｆｆが大きくなり、その結果、ＳＡＷ共振器モード間の周波数分離が小さくなる。ブラッグ・ミラーは、特定の帯域幅内で反射鏡として作用することができる。ブラッグ・ミラーの帯域幅外のモードは、フォノン・モードが限定されないためＳＡＷ共振器によってサポートされない。
【００８２】
ＶＦＳＲとブラッグ・ミラーの帯域幅とに応じて、回路１００はＳＡＷ共振器の単一モード、数モードまたは多モードにわたって動作することができる。ＳＡＷ共振器によってサポートされているすべてのモードがＪＲＭに強く結合することになるわけではないことに留意されたい。回路１００における３波混合動作は、ＪＲＭに強く結合するフォノン・モードにより起こり得る。モードはそのアンチノードがＪＲＭに結合されたＩＤＣフィンガと一致するときに、ＪＲＭに強く結合する。
【００８３】
図４は、デバイスの製作方法４００を示す流れ図である。
【００８４】
４０２で、第１のＳＡＷ共振器１０２をＪＲＭ１０６に結合することができる。例えば、第１のＳＡＷ共振器は、ＪＲＭの向かい合ったノードの第１の組（例えば、第１のノード１２４と第３のノード１２８）に結合することができる。
【００８５】
方法４００は、４０４で第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４をＪＲＭに結合することも含み得る。第２の超伝導ＳＡＷ共振器は、ＪＲＭの向かい合ったノードの第２の組（例えば、第２のノード１２６と第４のノード１３０）に結合することができる。
【００８６】
ＪＲＭは、ホイートストン・ブリッジ構成に配置されたジョセフソン接合を含み得る。ジョセフソン接合は、アルミニウムとニオブとを含む材料の第１のグループから選択された第１の材料を含み得る。また、ＪＲＭは、分散非線形３波混合素子とすることができる。
【００８７】
図５は、２つの超伝導ＳＡＷ共振器を含むデバイスの製作方法５００を示す流れ図である。
【００８８】
５０２で、この方法は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器の第１の中心に第１のＩＤＣデバイス２０６を配置することを含む、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２の形成を含み得る。
【００８９】
また、５０４で、この方法は、第２の超伝導ＳＡＷ共振器の第２の中心に第２のＩＤＣデバイス２１６を配置することを含む、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４の形成を含み得る。
【００９０】
５０６で、方法５００は、ＪＲＭ１０６の向かい合ったノードの第１の組（例えば、第１のノード１２４と第３のノード１２８）を第１のＩＤＣデバイスの向かい合ったノード（例えば、第１の電極３０２と第２の電極３０４）に接続することを含み得る。
【００９１】
さらに、５０８で、方法５００は、ＪＲＭの向かい合ったノードの第２の組（例えば、第２のノード１２６と第４のノード１３０）を第２のＩＤＣデバイスの向かい合ったノード（例えば、第３の電極３０６と第４の電極３０８）に接続することを含み得る。
【００９２】
図６は、ポンプ・ドライブ・ポートを含むデバイスの製作方法６００を示す流れ図である。
【００９３】
方法６００は、６０２で開始し、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２をＪＲＭ１０６に結合することができる。また、６０４で、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４をＪＲＭに結合することができる。
【００９４】
また、６０６で、第１の結合キャパシタ３３０を第１の超伝導線（例えば第１のリード線３２６）を介してポンプ（例えばポンプ・ポート２２６）の第１のポート（例えば第２のポート３２０）に結合することができる。さらに、６０８で、この方法は、第２の結合キャパシタ３３２を第２の超伝導線を介してポンプの第２のポート（例えば第３のポート３２２）に接続することを含み得る。一部の実装形態によると、第１の超伝導線と第２の超伝導線は位相整合され得る。
【００９５】
図７は、外部供給線を含むデバイスの製作方法７００を示す流れ図である。
【００９６】
方法７００は、７０２で開始し、第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２をＪＲＭ１０６に結合することができる。第１の超伝導ＳＡＷ共振器は、低損失圧電誘電体基板上に実装することができる。
【００９７】
また、７０４で、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４をＪＲＭに結合することができる。第２の超伝導ＳＡＷ共振器も低損失圧電誘電体基板上に実装することができる。
【００９８】
方法７００の７０６で、第１の外部供給線２２２を第１のＩＤＣデバイス２０８を介して第１の超伝導ＳＡＷ共振器に結合することができる。第１の外部供給線は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器の第１の入力信号と第１の出力信号を搬送することができる。
【００９９】
７０８で、第２の外部供給線２２４を第２のＩＤＣデバイス２１８を介して第２の超伝導ＳＡＷ共振器に結合することができる。第２の外部供給線は、第２の超伝導ＳＡＷ共振器の第２の入力信号と第２の出力信号を搬送することができる。
【０１００】
図８は、超伝導量子デバイスの製作方法８００を示す流れ図である。
【０１０１】
方法８００の８０２で第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２を形成することができる。第１の超伝導ＳＡＷ共振器は、第１の超伝導ＳＡＷ共振器の第１の中心に配置された第１のＩＤＣデバイス２０６を含み得る。
【０１０２】
８０４で、第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４を形成することができる。第２の超伝導ＳＡＷ共振器は、第２の超伝導ＳＡＷ共振器の第２の中心に配置された第２のＩＤＣデバイス２１６を含み得る。
【０１０３】
また、８０６で、第１の超伝導ＳＡＷ共振器と第２の超伝導ＳＡＷ共振器とにＪＲＭ１０６を結合することができる。ＪＲＭの向かい合ったノードの第１の組（例えば、第１のノード１２４と第３のノード１２８）を、第１のＩＤＣデバイスの向かい合ったノードに接続することができる。ＪＲＭの向かい合ったノードの第２の組（例えば、第２のノード１２６と第４のノード１３０）を第２のＩＤＣデバイスの向かい合ったノードに接続することができる。
【０１０４】
図９は、外部供給線を含む超伝導量子デバイスの製作方法９００を示す流れ図である。
【０１０５】
９０２で、第１の低損失圧電誘電体基板を含む第１の超伝導ＳＡＷ共振器１０２を形成することができる。第１のＳＡＷ共振器の形成は、９０４で第１の超伝導ブラッグ・ミラー２０２を第２の超伝導ブラッグ・ミラー２０４から第１の距離だけ離隔させることを含み得る。
【０１０６】
９０６で、第１のＳＡＷ共振器の第１の中心に第１のＩＤＣデバイス２０６を配置することができる。ＪＲＭの向かい合ったノードの第１の組（例えば、第１のノード１２４と第３のノード１２８）を第１のＩＤＣデバイスの向かい合ったノード（例えば、第１の電極３０２と第２の電極３０４）に接続することができる。
【０１０７】
９０８で、第２の低損失圧電誘電体基板を含む第２の超伝導ＳＡＷ共振器１０４を形成することができる。第１のＳＡＷ共振器は、第２のＳＡＷ共振器から空間的およびスペクトル的に離隔することができる。第２のＳＡＷ共振器の形成は、９１０で第３の超伝導ブラッグ・ミラー２１２を第４の超伝導ブラッグ・ミラー２１４から第２の距離だけ離隔させることを含み得る。
【０１０８】
９１２で、第２のＳＡＷ共振器の第２の中心に第２のＩＤＣデバイス２１６を配置することができる。ＪＲＭの向かい合ったノードの第２の組（例えば、第２のノード１２６と第４のノード１３０）を、第２のＩＤＣデバイスの向かい合ったノード（例えば、第３の電極３０６と第４の電極３０８）に接続することができる。
【０１０９】
９１４で、ＪＲＭにポンプ・ポート２２６を結合することができる。ポンプ・ポートを介してＪＲＭにポンプ・ドライブが注入される。一実施例では、ポンプ・ポートの第１のポート（例えば第１の外部ポート）に第１の超伝導線を介して第１の結合キャパシタを接続することができる。また、ポンプの第２のポート（例えば第２の外部ポート）に第２の超伝導線を介して第２の結合キャパシタを接続することができる。第１の超伝導線と第２の超伝導線は、位相整合させることができる。例えば、第１の結合キャパシタを第１の線長を含む第１の超伝導線を介してポンプの第１のポートに接続することができ、第２の結合キャパシタを第２の線長を含む第２の超伝導線を介してポンプの第２のポートに接続することができる。第１の線長と第２の線長は同じ線長とすることができる。
【０１１０】
上記で説明した内容は単なる例を含むに過ぎない。当然ながら、本発明について説明する目的で構成要素または方法のあらゆる考えられる組合せを説明することは不可能であるが、当業者には、本発明の多くの他の組合せおよび置換が可能であることがわかる。また、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有している（ｈａｓ）」、「保有している（ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ）」などの用語が本明細書、特許請求の範囲、付属書、および図面において使用されている限りにおいて、それらの用語は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語が特許請求の範囲における移行語として採用されるときの「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様に包含的であることが意図されている。本発明の様々な実施形態の説明を例示を目的として示したが、網羅的であること、または開示されている本発明の実施形態に限定することは意図されていない。本発明の範囲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。本明細書で使用されている用語は、本発明の実施形態の原理を最もよく説明するため、または実際の適用または市場に見られる技術をしのぐ技術的改良を最もよく説明するため、または本明細書で開示されている本発明の実施形態を当業者が理解することができるようにするために選定されている。
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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