(57)【要約】  表面弾性波とマイクロ波信号とを混合する超伝導デバイスと、これを製作する技術が提供される。超伝導デバイスは、超伝導表面弾性波共振器と超伝導マイクロ波共振器とを含み得る。超伝導デバイスは、超伝導表面弾性波共振器と超伝導マイクロ波共振器とに結合されたジョセフソン・リング変調器も含み得る。ジョセフソン・リング変調器は分散非線形３波混合素子とすることができる。
2021533597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導表面弾性波共振器と、
超伝導マイクロ波共振器と、
前記超伝導表面弾性波共振器と前記超伝導マイクロ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であって、前記ジョセフソン・リング変調器が分散非線形３波混合素子である、超伝導デバイス。
【請求項２】
前記超伝導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・ミラーから前記超伝導表面弾性波共振器によってサポートされる半波長の奇数整数倍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、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項３】
前記超伝導表面弾性波共振器が、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低損失圧電誘電体基板上に実装された、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項４】
前記ジョセフソン・リング変調器が、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１つまたは複数のジョセフソン接合がアルミニウムとニオブ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１に記載の超伝導デバイス。
【請求項５】
前記超伝導表面弾性波共振器の中心に配置された櫛形キャパシタンス・デバイスをさらに含み、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、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項６】
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の組がシャント・キャパシタに接続された、請求項５に記載の超伝導デバイス。
【請求項７】
櫛形キャパシタンス・デバイスを介して前記超伝導表面弾性波共振器に結合され、前記超伝導表面弾性波共振器の１つまたは複数の第１の入力信号と１つまたは複数の第１の出力信号とを搬送する第１の外部供給線と、
前記超伝導マイクロ波共振器に結合され、前記超伝導マイクロ波共振器の１つまたは複数の第２の入力信号と１つまたは複数の第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１に記載の超伝導デバイス。
【請求項８】
前記ジョセフソン・リング変調器を誘起された磁束が通る、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項９】
前記ジョセフソン・リング変調器がポートを含み、前記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１に記載の超伝導デバイス。
【請求項１０】
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むジョセフソン・リング変調器を形成することと、
前記ジョセフソン・リング変調器を超伝導表面弾性波共振器と超伝導マイクロ波共振器と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・リング変調器が分散非線形３波混合素子である方法。
【請求項１１】
第１の超伝導ブラッグ・ミラーと第２の超伝導ブラッグ・ミラーとから前記超伝導表面弾性波共振器を形成することと、
前記第１の超伝導ブラッグ・ミラーを前記第２の超伝導ブラッグ・ミラーから前記超伝導表面弾性波共振器によってサポートされる半波長の奇数整数倍として規定された距離だけ離隔することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記１つまたは複数のジョセフソン接合が、アルミニウムとニオブとからなる材料の第１のグループから選択された第１の材料を含み、
前記方法は、
前記超伝導表面弾性波共振器を低損失圧電誘電体基板上に実装することをさらに含み、前記低損失圧電誘電体基板が、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第２のグループから選択された第２の材料を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記超伝導表面弾性波共振器の中心に櫛形キャパシタンス・デバイスを配置することと、
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の組を前記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することと、
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の組を前記超伝導マイクロ波共振器の１つまたは複数のキャパシタに接続することとをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記ジョセフソン・リング変調器を通る磁束を誘起することをさらに含む、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、表面弾性波とマイクロ波信号を混合する超伝導デバイスに関する。
【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・モードとジョセフソン・リング変調器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。ジョセフソン・リング変調器を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、ジョセフソン・リング変調器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、ジョセフソン・リング変調器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、ジョセフソン・リング変調器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。本明細書では、本発明の１つまたは複数の実施形態において、表面弾性波とマイクロ波信号を混合するデバイス、システム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、超伝導デバイスが超伝導表面弾性波共振器（surface acoustic wave resonator：ＳＡＷ）と超伝導マイクロ波共振器とを含み得る。この超伝導デバイスは、超伝導ＳＡＷ共振器と超伝導マイクロ波共振器とに結合されたジョセフソン・リング変調器（Josephson ring modulator：ＪＲＭ）も含み得る。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、超伝導ＳＡＷ共振器の低マイクロ波周波数と超伝導マイクロ波共振器の高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ことである。
【０００６】
一部の実施例では、超伝導デバイスの超伝導ＳＡＷ共振器は、第１の超伝導ブラッグ・ミラーと第２の超伝導ブラッグ・ミラーとを含み得る。第２の超伝導ブラッグ・ミラーは、超伝導ＳＡＷ共振器によってサポートされる半波長の奇数整数倍の距離だけ第１のブラッグ・ミラーから離隔され得る。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、櫛形キャパシタンス・デバイスを介して超伝導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、超伝導ＳＡＷ共振器の１つまたは複数の第１の入力信号と１つまたは複数の第１の出力信号とを搬送することができる。また、超伝導デバイスは、超伝導マイクロ波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、超伝導マイクロ波共振器の１つまたは複数の第２の入力信号と１つまたは複数の第２の出力信号とを搬送することができる。このような超伝導デバイスの利点は、超伝導ＳＡＷ共振器の低周波数と超伝導マイクロ波共振器の高周波数とを、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、超伝導ＳＡＷ共振器と、超伝導ＳＡＷ共振器に結合されたＪＲＭとを含み得る超伝導回路が提供される。また、超伝導回路は、ＪＲＭに結合された超伝導マイクロ波共振器を含み得る。ＪＲＭは分散非線形３波混合素子である。一部の実装形態によると、超伝導ＳＡＷ共振器は、低損失圧電誘電体基板上に実装される。このような超伝導回路の利点は、超伝導ＳＡＷ共振器の低マイクロ波周波数と超伝導マイクロ波共振器の高マイクロ波周波数との間の無散逸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】
超伝導回路の超伝導ＳＡＷ共振器は、一部の実装形態によると、第１の超伝導ブラッグ・ミラーと第２の超伝導ブラッグ・ミラーとを含み得る。第１の超伝導ブラッグ・ミラーと第２の超伝導ブラッグ・ミラーとは、超伝導ＳＡＷ共振器によってサポートされる半波長の奇数整数倍の距離だけ離隔され得る。このような超伝導回路の利点は、超伝導ＳＡＷ共振器の低周波数と超伝導マイクロ波共振器の高周波数とを、受信、混合および増幅することができることである。
【００１０】
一部の実装形態によると、超伝導回路は、櫛形キャパシタンス・デバイスを介して超伝導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、超伝導表面弾性波共振器の１つまたは複数の第１の入力信号と１つまたは複数の第１の出力信号を搬送することができる。さらに、超伝導回路は、超伝導マイクロ波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、超伝導マイクロ波共振器の１つまたは複数の第２の入力信号と１つまたは複数の第２の出力信号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、超伝導表面弾性波共振器の低周波数と超伝導マイクロ波共振器の高周波数とを、受信、混合および増幅することができることである。
【００１１】
本発明の別の実施形態は、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むＪＲＭを形成することを含み得る方法に関する。この方法は、ＪＲＭを超伝導ＳＡＷ共振器と超伝導マイクロ波共振器とに結合することも含み得る。ＪＲＭは、分散非線形３波混合素子とすることができる。このような方法の利点は、超伝導ＳＡＷ共振器の低マイクロ波周波数と超伝導マイクロ波共振器の高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。
【００１２】
一部の実装形態では、この方法は、第１の超伝導ブラッグ・ミラーと第２の超伝導ブラッグ・ミラーとから超伝導ＳＡＷ共振器を形成することを含み得る。この方法は、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、超伝導表面弾性波共振器によってサポートされる半波長の奇数整数倍として規定された距離だけ離隔することも含み得る。このような方法の利点は、製作された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。
【００１３】
本発明のさらに他の実施形態は、超伝導ＳＡＷ共振器を含み得る超伝導デバイスに関する。超伝導ＳＡＷ共振器は、第１の金属フィンガと第１の誘電体間隙とを含む第１の周期的構造を含み得る。超伝導ＳＡＷ共振器は、第２の金属フィンガと第２の誘電体間隙とを含む第２の周期的構造も含み得る。第１の周期的構造と第２の周期的構造とは、超伝導ＳＡＷ共振器によってサポートされる半波長の奇数整数倍として規定された距離だけ分離することができる。また、超伝導デバイスは、超伝導ＳＡＷ共振器に結合された分散非線形３波混合素子を含み得る。分散非線形３波混合素子は、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得る。さらに、超伝導デバイスは、分散非線形３波混合素子に結合された超伝導マイクロ波共振器を含み得る。このような超伝導デバイスの利点は、超伝導ＳＡＷ共振器の低マイクロ波周波数と超伝導マイクロ波共振器の高マイクロ波周波数との無散逸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】
【００１４】
【図１】本発明によるＪＲＭを含む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共振器と超伝導マイクロ波共振器とを含む超伝導デバイスのため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、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６】本発明の一実施形態による、２つの金属／誘電体反射鏡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、超伝導ＳＡＷ共振器と超伝導マイクロ波共振器とに結合されたＪＲＭ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】
【００１５】
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。
【００１６】
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１つまたは複数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、本発明の１つまたは複数の実施形態はこれらの特定の詳細がなくても実施可能であることは明らかである。
【００１７】
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、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超伝導ＳＡＷ共振器を使用することである。
【００１８】
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）と高マイクロ波周波数（例えば約５ＧＨｚから約１５ＧＨｚ）との間での無散逸３波混合および増幅を可能にする超伝導ＳＡＷ共振器と超伝導波共振器との使用により、この問題の解決策を提供する。
【００１９】
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。このような超伝導デバイスを実装す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大きさが縮小された低損失の共振器という利点を有し得る。
【００２０】
一部の実装形態によると、このデバイスは、表面弾性波（フォノン）とマイクロ波信号（光子）との間のジョセフソン・ミキサとして、または表面弾性波とマイクロ波信号との間の無損失周波数変換器として、または表面弾性波とマイクロ波信号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、またはフォノン・モードと光子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機能することができる。
【００２１】
図１は、超伝導ＳＡＷ共振器１０２と、超伝導マイクロ波共振器１０４と、ＪＲＭ１０６とを含む回路１００を示すブロック図である。
【００２２】
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、超伝導ＳＡＷ共振器１０２または超伝導マイクロ波共振器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）とマイクロ波信号（光子）との間のジョセフソン・ミキサとして、または表面弾性波とマイクロ波信号との間の無損失周波数変換器として、または表面弾性波とマイクロ波信号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、またはフォノン・モードと光子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。
【００２３】
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、ＳＡＷ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）。
【００２４】
超伝導ＳＡＷ共振器１０２は、低周波数デバイスとすることができ、超伝導マイクロ波共振器１０４は高周波数デバイスとすることができる。また、超伝導ＳＡＷ共振器１０２は、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。超伝導マイクロ波共振器１０４は、集中素子キャパシタンスと集中素子インダクタンスとを使用して実装することができる。超伝導ＳＡＷ共振器１０２と超伝導マイクロ波共振器１０４に関するさらなる詳細を、図２および図３を基に以下に示す。
【００２５】
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１つまたは複数のジョセフソン接合を含み得る。１つまたは複数の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。
【００２６】
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。
【００２７】
ＪＲＭ１０６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得る。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として示されている。ジョセフソン接合（例えば第１のジョセフソン接合１０８、第２のジョセフソン接合１１０、第３のジョセフソン接合１１２、第４のジョセフソン接合１１４）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。
【００２８】
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。例えば、誘起された磁束がジョセフソン・リング変調器を通る。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。一部の実装形態によると、磁気コイル、またはオンチップ磁束線、または近傍の磁束線、または異なるチップ／層上で、あるいはこれらの組合せによって磁束線の通過を促進することができる。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
ノードは、ＪＲＭ１０６を超伝導ＳＡＷ共振器１０２と超伝導マイクロ波共振器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の線１３２（または第１のリード線）を介して超伝導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の線１３４（または第２のリード線）を介して超伝導ＳＡＷ共振器１０２に結合することができる。
【００３２】
ＪＲＭ１０６を超伝導マイクロ波共振器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の線１３６（または第３のリード線）を介して超伝導マイクロ波共振器１０４に結合することができ、第４のノード１３０を第４の線１３８（または第４のリード線）を介して超伝導マイクロ波共振器１０４に結合することができる。
【００３３】
図のように、第１の線１３２と第２の線１３４を、超伝導ＳＡＷ共振器１０２の異なる場所で超伝導ＳＡＷ共振器１０２に結合することができる。また、第３の線１３６と第４の線１３８を、超伝導マイクロ波共振器１０４の異なる場所で超伝導マイクロ波共振器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。
【００３４】
超伝導ＳＡＷ共振器１０２と、超伝導マイクロ波共振器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、デバイスのマイクロ波ポートまたはＳＡＷ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。
【００３５】
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。
【００３６】
本発明の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。
【００３７】
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。
【００３８】
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・システム、量子回路システム、量子プロセッサ・システム、人工知能システム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、量子プロセッサ（例えば超伝導量子プロセッサ）の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、量子プロセッサに技術的向上をもたらすこともできる。
【００３９】
図２は、超伝導ＳＡＷ共振器を含む回路２００を示すブロック図である。
【００４０】
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、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周期的構造を含む。
【００４１】
一部の実装形態によると、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。
【００４２】
また、第１の櫛形キャパシタンス・デバイスまたは第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、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、超伝導ＳＡＷ共振器１０２と外部ポート（例えばシグナル・ポート２１２）との間に結合することができる。
【００４３】
例えば、第１のＩＤＣ２０６は、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。
【００４４】
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の組を超伝導マイクロ波共振器１０４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の線１３６を介して）超伝導マイクロ波共振器１０４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の線１３８を介して）超伝導マイクロ波共振器１０４の第２の側に接続することができる。
【００４５】
回路１００は、第２のＩＤＣデバイス２０８を介して超伝導ＳＡＷ共振器１０２に結合された第１の外部供給線２１０も含み得る。第１の外部供給線２１０は、シグナル・ポート２１２（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２１０は、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。
【００４６】
超伝導マイクロ波共振器１０４に第２の外部供給線２１４を結合することができる。第２の外部供給線２１４はアイドラ・ポート２１６（例えばマイクロ波源）に接続することができる。第２の外部供給線２１４は、超伝導マイクロ波共振器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。
【００４７】
また、ＪＲＭ１０６は、（例えば第２の線１３４またはその他の配線により）ポンプ・ポート２１８に動作可能に接続することができる。ポンプ・ポート２１８は、マイクロ波源に接続することができる。ポンプ・ポート２１８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２１８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、超伝導ＳＡＷ共振器１０２と超伝導マイクロ波共振器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２１８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、超伝導ＳＡＷ共振器１０２と超伝導マイクロ波共振器１０４は互いに電気的に分離され得る。
【００４８】
増幅のためには、アイドラ・ポート２１６に接続されたアイドラ伝送線（例えば第２の外部供給線２１４）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２１８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２１２とアイドラ・ポート２１６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２１２またはアイドラ・ポート２１６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２１８）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２１２とアイドラ・ポート２１６とを出るそれぞれの出力信号は、両方のポート（例えばシグナル・ポート２１２とアイドラ・ポート２１６）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。
【００４９】
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。
【００５０】
図３は、ＪＲＭに結合されたＳＡＷ共振器と超伝導マイクロ波共振器とを含む超伝導デバイスの回路３００を示す回路図である。
【００５１】
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。
【００５２】
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の線１３２と第２の線１３４を介して）ＪＲＭ１０６を超伝導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、ＪＲＭ１０６を超伝導マイクロ波共振器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。
【００５３】
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、超伝導ＳＡＷ共振器１０２の第１の櫛形キャパシタまたは第１のＩＤＣ３０２（例えば第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、３０４に示す第１のＩＤＣ３０２の第１の電極に結合することができる。また、ＪＲＭ１０６の第３のノード１２８を、３０６に示す第１のＩＤＣ３０２の第２の電極に結合することができる。第１のＩＤＣ３０２は、超伝導ＳＡＷ共振器１０２の中心に配置することができる。
【００５４】
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のキャパシタ３１０（例えばシャント・キャパシタ）に結合することができ、それによって超伝導マイクロ波共振器１０４を形成することができ、ここでＪＲＭは共振器の誘導素子である。超伝導マイクロ波共振器は、ＪＲＭ１０６の第２の直交ディファレンシャル・モードをサポートすることができる。キャパシタンス（例えば第１のキャパシタ３０８）は、（ＪＲＭ１０６と第２のキャパシタ３１０によって形成された）マイクロ波共振器とデバイスの外部供給線／ポート（例えばアイドラ・ポート２１６）との間の結合キャパシタとして機能する。一部の実装形態によると、第１のキャパシタ３０８と第２のキャパシタ３１０は、ギャップ・キャパシタ、または櫛形キャパシタ、または平板キャパシタあるいはこれらの組合せ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。平板キャパシタンスの場合、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。
【００５５】
図のように、超伝導ＳＡＷ共振器１０２は、第１のＩＤＣ３０２と、第２のＩＤＣ３１２（例えば第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。超伝導ＳＡＷ共振器１０２の構成要素（例えば、第１のＩＤＣ３０２、第２のＩＤＣ３１２、第１のブラッグ・ミラー２０２、第２のブラッグ・ミラー２０４）は、圧電基板上に実装される。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のうちの１つまたは複数を含み得る。
【００５６】
超伝導ＳＡＷ共振器１０２および超伝導マイクロ波共振器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、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２１２を使用することができ、超伝導マイクロ波共振器１０４にアクセスするためにアイドラ・ポート２１６を使用することができる。
【００５７】
シグナル・ポート２１２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、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ＩＤＣ３１２）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、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。
【００５８】
ＩＤＣ（例えば第１のＩＤＣ３０２および第２のＩＤＣ３１２）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、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。
【００５９】
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ＩＤＣの１つのフィンガ（例えば３０４または３０６で示されている）に結合する必要があり、最大値は他方のフィンガ（例えば３０４または３０６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
【００６０】
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）。
【００６１】
これは、超伝導マイクロ波共振器１０４の場合にも当てはまり得る。前述のように、超伝導マイクロ波共振器は共振器を外部ポート（例えばアイドラ・ポート２１６）に結合する第１のキャパシタ３０８と、ＪＲＭ１０６をシャントする第２のキャパシタ３１０とを含み得る。ＪＲＭ１０６をシャントするキャパシタ（例えば第２のキャパシタ３１０）の２つの電極は、逆電圧を有することができ、第２のディファレンシャル・モードを励起することができる。したがって、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、超伝導マイクロ波共振器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。
【００６２】
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２１８を介して供給される。ポンプ・ポート２１８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２１８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。
【００６３】
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が超伝導ＳＡＷ共振器１０２の帯域幅内にあり、第２の信号ｆｂが超伝導マイクロ波共振器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２１８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２１８）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の組の光子とｆｂにおける第２の組の光子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。同様に、非フォノン−光子利得のある変換プロセスは、一方のモードを他方のモード（例えば、光子からフォノンまたはフォノンから光子）に変換することができる。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。
【００６４】
一実装形態によると、混合プロセス（光子−フォノン利得のない変換）では、シグナル周波数のＳＡＷ共振器におけるフォノンをアイドラ周波数のマイクロ波共振器におけるマイクロ波光子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、アイドラ周波数のマイクロ波共振器における光子をシグナル周波数の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２１８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、ポンプ光子が放出されるかまたはポンプ光子が吸収されて、このプロセスを促進する。
【００６５】
ポンプ・ポート２１８に印加されるポンプ信号がない場合、超伝導ＳＡＷ共振器１０２と超伝導マイクロ波共振器１０４とは切り離され（互いに分離され）、超伝導ＳＡＷ共振器１０２と超伝導マイクロ波共振器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２１８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２に示すようにＪＲＭ１０６のコモン・モードを励起し、超伝導ＳＡＷ共振器１０２と超伝導マイクロ波共振器１０４とが相互作用し、情報が交換される。
【００６６】
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。
【００６７】
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３１８（またはシグマ・ポート）と呼ぶ。総和ポート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のポートを総和ポート３１８と呼ぶ。ポンプ・ドライブ（例えばポンプ・ポート２１８）を１８０度ハイブリッド３１６の総和ポート３１８を介して供給することができる。
【００６８】
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３２０）で最大値を有する場合、他方のポート（例えば３２２）の第２の信号は最小値を有する。ポンプ・ポート２１８には総和ポート３１８を介して供給可能である。
【００６９】
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。
【００７０】
第１の結合キャパシタ３３０は、（第１のＩＤＣ３０２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ＩＤＣ３０２のフィンガの２つの異なる組（第１の接点３０６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。
【００７１】
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、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、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。また、第１の線１３２と第２の線１３４は、ＪＲＭ１０６の向かい合ったノードとＩＤＣ３０２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、第３の線１３６と第４の線１３８は、ＪＲＭ１０６の向かい合ったノードと第２のキャパシタ３１０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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。これは、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であり得る。
【００７４】
超伝導ＳＡＷ共振器１０２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、超伝導ＳＡＷ共振器１０２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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
回路１００は、無損失であるジョセフソン接合の非線形インダクタンスに依拠するジョセフソン・ミキサなどの３波混合器とすることができる。ジョセフソン・ミキサを使用して、超伝導ＳＡＷ共振器１０２によってサポートされているフォノンと光子によって搬送されるマイクロ波信号との混合を可能にすることができる。これは、フォノンをフォノンに、または光子を光子に結合する従来のデバイスとは異なる。したがって、本開示の態様は、結合の顕著な向上をもたらす。例えば、回路１００はマイクロ波信号から、低マイクロ波周波数で共振する弾性波への変換を可能にし得る。また、回路１００は、非縮退的に増幅することができる。ここで非縮退とは、（１）回路１００が、高マイクロ波周波数（例えば１２ＧＨｚ）の１つの周波数と比較的低いもう１つのマイクロ波周波数（例えば１ＧＨｚ）の、２つの異なる周波数を増幅しており、したがって非縮退は、周波数が異なっており、したがってスペクトル非縮退があることを意味し、（２）マイクロ波信号が、表面弾性波をサポートする超伝導ＳＡＷ共振器共振器１０２とは物理的に異なる超伝導マイクロ波共振器１０４によってサポートされているため、空間非縮退もあることを意味する。したがって、スペクトル非縮退と物理的非縮退がある。非縮退であるパラメトリック増幅のこのプロセスにより、回路１００はフォノン・モードを光子モードともつれさせることができ、ここで、もつれとは、２つのモードが互いに強い相関関係にあり、互いから分離不可能な量子特性である。したがって、一方の測定を行えば、他方の状態を判断することができる。したがって、両者はもつれ合い、１つの実体を形成するが、両者は空間において距離によって離隔され得る。
【００７８】
図４は、デバイスの製作方法４００を示す流れ図である。
【００７９】
４０２で、ＪＲＭ１０６を形成することができる。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（例えば第１のジョセフソン接合１０８、第２のジョセフソン接合１１０、第３のジョセフソン接合１１２、第４のジョセフソン接合１１４）を含み得る。この１つまたは複数の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。
【００８０】
また、４０４で、ＪＲＭを超伝導ＳＡＷ共振器１０２と超伝導マイクロ波共振器１０４とに結合することができる。ＪＲＭは分散非線形３波混合素子とすることができる。
【００８１】
図５は、ポンプ・ドライブ・ポートを含むデバイスの製作方法５００を示す流れ図である。
【００８２】
方法５００は、５０２で開始し、図４を参照しながら説明したようにＪＲＭ１０６が形成され、ＪＲＭ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得る。また、ＪＲＭは、ポンプ・ドライブを供給することができるポート（例えばポンプ・ポート２１８）を含み得る。
【００８３】
５０４で、超伝導ＳＡＷ共振器１０２を形成することができる。超伝導ＳＡＷ共振器は、圧電基板上に実装することができる。５０６で、超伝導マイクロ波共振器１０４を形成することができる。また、５０８で、ＪＲＭを超伝導ＳＡＷ共振器と超伝導マイクロ波共振器とに結合することができる。
【００８４】
５１０で、ポートを介してＪＲＭにポンプ・ドライブを注入することができる。例えば、ポンプ・ドライブは１８０度ハイブリッド（例えば１８０度ハイブリッド３１６）のシグマ・ポートを介して供給することができる。１８０度ハイブリッドは、ＪＲＭの向かい合ったノードに容量結合することができ、これによりＪＲＭのコモン・モードを励起する。
【００８５】
図６は、２つの金属／誘電体反射鏡を含むデバイスの製作方法６００を示す流れ図である。
【００８６】
方法６００は、６０２で、図４を参照しながら説明したようにＪＲＭ１０６を形成することから開始し、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。
【００８７】
６０４で、超伝導ＳＡＷ共振器１０２を形成することができる。ＳＡＷ共振器は、圧電基板の上に実装された第１の超伝導ブラッグ・ミラー（例えば第１のブラッグ・ミラー２０２）と第２の超伝導ブラッグ・ミラー（例えば第２のブラッグ・ミラー２０４）とから形成することができる。６０６で、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、ＳＡＷ共振器によってサポートされる主モードの半波長の奇数整数倍として規定された距離だけ離隔することができる。
【００８８】
方法６００は６０８に移行することができ、超伝導マイクロ波共振器１０４を形成することができる。また、方法６００の６１０で、ＪＲＭを超伝導表面弾性波共振器と超伝導マイクロ波共振器とに結合することができる。
【００８９】
図７は、超伝導ＳＡＷ共振器と超伝導マイクロ波共振器とに結合されたＪＲＭを含むデバイスの製作方法７００を示す流れ図である。
【００９０】
７０２で、図４を参照しながら説明したようにジョセフソン接合を含むＪＲＭ１０６を形成することができ、ジョセフソン接合はホイートストン・ブリッジ構成に配置することができる。
【００９１】
７０４で、超伝導ＳＡＷ共振器１０２を形成することができる。超伝導ＳＡＷ共振器は、低損失圧電誘電体基板上に実装される。例えば、低損失圧電誘電体基板は、石英と、ガリウム・ヒ素と、ニオブ酸リチウムと、酸化亜鉛とのうちの１つまたは複数の材料を含む材料のグループから選択された１つまたは複数の材料を含み得る。
【００９２】
超伝導ＳＡＷ共振器を形成するために、７０６で、ＳＡＷ共振器の中心に櫛形キャパシタンス・デバイス（例えば第１のＩＤＣ３０２）を配置することができる。櫛形キャパシタンス・デバイスは、２つの金属／誘電体ブラッグ・ミラーの間に配置することができる。例えば、櫛形キャパシタンス・デバイスは、第１のブラッグ・ミラーと第２のブラッグ・ミラーとの間に配置することができる。
【００９３】
７０８で、超伝導マイクロ波共振器１０４を形成することができる。超伝導マイクロ波共振器は、集中素子キャパシタンスまたは集中素子インダクタンスあるいはその両方を使用して実装することができる。
【００９４】
また、７１０で、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）を櫛形キャパシタンス・デバイスの向かい合ったノードに結合することができる。例えば、向かい合ったノードの第１の組のうちの１つのノードを、櫛形キャパシタンス・デバイスの（図３の３０４に示す）第１の電極に結合することができる。向かい合ったノードの第１の組のうちのもう１つのノードを、櫛形キャパシタンス・デバイスの（図３の３０６に示す）第２の電極に結合することができる。なお、一部の実装形態によると、（７１０における）櫛形キャパシタンス・デバイスの向かい合ったノードへのＪＲＭの結合は、（７０８における）超伝導マイクロ波共振器の形成の前に行われてもよい。
【００９５】
さらに、７１２で、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、超伝導マイクロ波共振器の１つまたは複数のキャパシタ（例えば第１のキャパシタ３０８、第２のキャパシタ３１０）に結合することができる。例えば、向かい合ったノードの第２の組のうちの１つのノードを超伝導マイクロ波共振器の第１のキャパシタに接続することができる。また、向かい合ったノードの第２の組のうちの２つのノードを超伝導マイクロ波共振器の第２のキャパシタの２つの電極に接続することができる。
【００９６】
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。
【００９７】
８０２で超伝導ＳＡＷ共振器１０２を形成することができる。表面弾性波共振器を形成するために、方法の８０４で、第１の周期的構造（例えば第１のブラッグ・ミラー２０２）と第２の周期的構造（例えば第２のブラッグ・ミラー２０４）とを、超伝導ＳＡＷ共振器によってサポートされる半波長の奇数整数倍として規定された距離だけ離隔することができる。第１の周期的構造は、第１の金属フィンガと、金属フィンガ間の第１の誘電体間隙とを含み得る。第２の周期的構造は、第２の金属フィンガと、金属フィンガ間の第２の誘電体間隙とを含み得る。
【００９８】
８０６で、超伝導マイクロ波共振器（例えば超伝導マイクロ波共振器１０４）を形成することができる。超伝導マイクロ波共振器は、１つまたは複数のキャパシタ（例えば第１のキャパシタ３０８と第２のキャパシタ３１０）を含み得る。１つまたは複数のキャパシタのうちの１つのキャパシタは、ＪＲＭのためのシャント・キャパシタとすることができる。
【００９９】
また、方法の８０８で表面弾性波共振器にＪＲＭ１０６を結合することができる。８１０で、図４を参照しながら説明したようにＪＲＭに超伝導マイクロ波共振器を結合することができ、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むことができる。一部の実装形態では、ＪＲＭは分散非線形３波混合素子とすることができる。なお、一部の実装形態によると、（８１０における）ＳＡＷ共振器へのＪＲＭの結合が、（８０８における）超伝導マイクロ波共振器の形成の前に行われてもよい。
【０１００】
一部の実装形態によると、ＳＡＷ共振器の中心に櫛形キャパシタンス・デバイスを配置することができる。これらの実装形態に加えて、ＪＲＭの向かい合ったノードの第１の組を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することができる。一部の実装形態では、この方法はＪＲＭを通る磁束を誘起することを含み得る。
【０１０１】
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。
【０１０２】
９０２で、ＪＲＭ１０６を形成することができる。図４を参照しながら説明したように、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。一部の実装形態によると、ＪＲＭは分散非線形３波混合素子とすることができる。
【０１０３】
９０４で、ＪＲＭを超伝導ＳＡＷ共振器１０２と超伝導マイクロ波共振器（例えば超伝導マイクロ波共振器１０４）とに結合することができる。
【０１０４】
９０６で、ＳＡＷ共振器に第１の外部供給線２１０を結合することができる。例えば、別の櫛形キャパシタンス・デバイスを介してＳＡＷ共振器に第１の外部供給線を結合することができる。第１の外部供給線は、ＳＡＷ共振器の１つまたは複数の第１の入力信号と１つまたは複数の第１の出力信号を搬送することができる。
【０１０５】
また、９０８で、超伝導マイクロ波共振器に第２の外部供給線（例えば第２の外部供給線２１４）を結合することができる。第２の外部供給線は、超伝導マイクロ波共振器の１つまたは複数の第２の入力信号と１つまたは複数の第２の出力信号を搬送することができる。
【０１０６】
一実施例では、１つの超伝導ＳＡＷ共振器（低周波数）と１つの超伝導マイクロ波共振器（高周波数）とをＪＲＭに結合することができる。超伝導ＳＡＷ共振器は、超伝導ＳＡＷ共振器によってサポートされる主モードの半波長の奇数整数倍の距離だけ互いに離隔された２つの超伝導ブラッグ・ミラーを含み得る。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。また、ＪＲＭはＡｌまたはＮｂジョセフソン接合を使用して実装することができる。
【０１０７】
ＪＲＭの１対の向かい合ったノードをＩＤＣの向かい合ったノードに接続することができる。ＩＤＣはＳＡＷ共振器の中心を外れて（例えば所望の結合モードの電圧ノードと一致しない位置に）配置することができる。ＪＲＭの他方の対の向かい合ったノードをシャント・キャパシタと、任意によりシャント・インダクタに接続することができる。マイクロ波共振器は、結合キャパシタを介して外部供給線に結合することができる。外部供給線は、マイクロ波共振器の入力信号と出力信号を搬送することができる。超伝導ＳＡＷ共振器は、ＳＡＷ共振器の入力信号と出力信号を搬送することができる別個の外部供給線を有することができる。外部供給線は、指定ＩＤＣを使用してＳＡＷ共振器に結合することができる。ＩＤＣのフィンガはｒｆ電圧アンチノードに近接して配置することができる。別個のポートを使用してＪＲＭにポンプ・ドライブを注入することができる。ポンプ・ポートは１８０度ハイブリッドのシグマ・ポートに接続することができ、１８０度ハイブリッドはＪＲＭの向かい合ったノードに容量結合することができる（これによりＪＲＭの共通励起を生じさせる）。
【０１０８】
本発明の好ましい一実施形態は、第１の金属フィンガと第１の誘電体間隙とを含む第１の周期的構造と、第２の金属フィンガと第２の誘電体間隙とを含む第２の周期的構造とを含み、第１の周期構造と第２の周期構造が超伝導表面弾性波共振器によってサポートされる半波長の奇数整数倍として規定された距離だけ離隔された超伝導表面弾性波共振器と、超伝導表面弾性波共振器に結合され、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む分散非線形３波混合素子と、分散非線形３波混合素子に結合された超伝導マイクロ波共振器とを含む超伝導デバイスを提供する。
【０１０９】
好ましくは、超伝導デバイスは、超伝導表面弾性波共振器の中心に配置された櫛形キャパシタンス・デバイスをさらに含み、分散非線形３波混合素子の向かい合ったノードの第１の組が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、分散非線形３波混合素子の向かい合ったノードの第２の組がシャント・キャパシタに接続され、櫛形キャパシタンス・デバイスと、シャント・キャパシタと、分散非線形３波混合素子と、１つまたは複数のジョセフソン接合とが超伝導マイクロ波共振器を形成する。
【０１１０】
好ましくは、誘起された磁束が分散非線形３波混合素子を通る。
【０１１１】
本発明の好ましい実施形態は、第１の金属フィンガと第１の誘電体間隙とを含む第１の周期的構造と第２の金属フィンガと第２の誘電体間隙とを含む第２の周期的構造とを含み、第１の周期的構造と第２の周期的構造とが超伝導表面弾性波共振器によってサポートされる半波長の奇数整数倍として規定された距離だけ離隔された超伝導表面弾性波共振器と、超伝導表面弾性波共振器に結合され、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むジョセフソン・リング変調器と、ジョセフソン・リング変調器に結合された超伝導マイクロ波共振器とを含み、ジョセフソン・リング変調器が分散非線形３波混合素子である、超伝導デバイスを提供する。
【０１１２】
好ましくは、超伝導デバイスは、超伝導表面弾性波共振器の中心に配置された櫛形キャパシタンス・デバイスをさらに含み、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ている。
【０１１３】
上記の内容は、システムおよび方法の単なる例を含む。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、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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