(57)【要約】【課題】マイクロ波ドライブの位相によって完全に制御される、無損失可変透過−反射スイッチなどのマイクロ波スイッチを提供する。【解決手段】マイクロ波スイッチが、第１のポートと第２のポートとを含む第１の非縮退デバイスを含む。第２の非縮退デバイスが、別の第１のポートと別の第２のポートとを含み、上記第２のポートは上記別の第２のポートに結合され、前記第１の非縮退デバイスと上記第２の非縮退デバイスはマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成される。第１の入力／出力ポートが上記第１のポートと上記別の第１のポートとに結合される。第２の入力／出力ポートが上記第１のポートと上記別の第１のポートとに結合され、上記第１の入力／出力ポートと上記第２の入力／出力ポートとの間の通信が上記位相差に基づく。【選択図】図４
2021500781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波スイッチであって、
第１のポートと第２のポートとを含む第１の非縮退デバイスと、
別の第１のポートと別の第２のポートとを含む第２の非縮退デバイスであって、前記第２のポートが前記別の第２のポートに結合された、前記第２の非縮退デバイスとを含み、
前記第１の非縮退デバイスと前記第２の非縮退デバイスとはマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成され、
前記マイクロ波スイッチはさらに、
前記第１のポートと前記別の第１のポートとに結合された第１の入力／出力ポートと、
前記第１のポートと前記別の第１のポートとに結合された第２の入力／出力ポートとを含み、
前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとの間の通信が前記位相差に基づくマイクロ波スイッチ。
【請求項２】
前記マイクロ波ドライブの前記位相差は、第１のマイクロ波ドライブと第２のマイクロ波ドライブとの位相差である、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項３】
前記第１および第２の入力／出力ポートはハイブリッド結合器の一部であり、
前記第１のポートと前記別の第１のポートの機能が、前記第１の非縮退デバイスと前記第２の非縮退デバイスとにおいてそれぞれ同等であるように構成された、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項４】
前記第１の非縮退デバイスまたは前記第２の非縮退デバイスに可変移相器が結合された、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項５】
前記可変移相器は、前記マイクロ波ドライブの前記位相差を決定するように構成されている、請求項４に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項６】
前記位相差は、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとが透過モードであることを決定するように構成されている、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項７】
前記位相差は、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとが反射モードであることを決定するように構成されている、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項８】
前記マイクロ波ドライブ間の前記位相差は、可変透過−反射モードを決定するように構成されている、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項９】
前記第１および第２の非縮退デバイスは、周波数変換モードで動作させられる非縮退３波ミクサである、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項１０】
マイクロ波スイッチを構成する方法であって、
第１のポートと第２のポートとを含む第１の非縮退デバイスと、別の第１のポートと別の第２のポートとを含む第２の非縮退デバイスとを設けることであって、前記第２のポートが前記別の第２のポートに結合され、前記第１の非縮退デバイスと前記第２の非縮退デバイスとがマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成される、前記第１の非縮退デバイスと前記第２の非縮退デバイスとを設けることと、
前記第１のポートと前記別の第１のポートとに第１の入力／出力ポートを結合することと、
前記第１のポートと前記別の第１のポートとに第２の入力／出力ポートを結合することとを含み、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとの間の通信が前記位相差に基づく方法。
【請求項１１】
前記マイクロ波ドライブの前記位相差は、第１のマイクロ波ドライブと第２のマイクロ波ドライブとの位相差である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１および第２の入力／出力ポートはハイブリッド結合器の一部であり、
前記第１のポートと前記別の第１のポートの機能が、前記第１の非縮退デバイスと前記第２の非縮退デバイスとにおいてそれぞれ同等であるように構成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の非縮退デバイスまたは前記第２の非縮退デバイスに可変移相器が結合される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記可変移相器は、前記マイクロ波ドライブの前記位相差を決定するように構成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記位相差は、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとが透過モードであることを決定するように構成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記位相差は、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとが反射モードであることを決定するように構成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記マイクロ波ドライブ間の前記位相差は、可変透過−反射モードを決定するように構成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１および第２の非縮退デバイスは、周波数変換モードで動作させられる非縮退３波ミクサである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の非縮退デバイスは、信号ポートとアイドラ・ポートとを含む第１のジョセフソン・パラメトリック変換器であり、
前記第２の非縮退デバイスは、別の信号ポートと別のアイドラ・ポートとを含む第２のジョセフソン・パラメトリック変換器であり、前記信号ポートと前記別の信号ポートとが互いに結合され、前記第１のジョセフソン・パラメトリック変換器と前記第２のジョセフソン・パラメトリック変換器とがマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成され、
前記信号ポートと前記別の信号ポートとの間の通信が前記位相差に基づくように、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとが前記信号ポートと前記別の信号ポートとに結合された、請求項１ないし９のいずれかに記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項２０】
前記第１のジョセフソン・パラメトリック変換器は、前記信号ポートに結合された信号共振器を含み、前記第２のジョセフソン・パラメトリック変換器は、前記別の信号ポートに結合された別の信号共振器を含む、請求項１９に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項２１】
前記第１のジョセフソン・パラメトリック変換器は前記アイドラ・ポートに結合されたアイドラ共振器を含み、前記第２のジョセフソン・パラメトリック変換器は前記別のアイドラ・ポートに結合された別のアイドラ共振器を含む、請求項１９に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項２２】
ハイブリッド結合器の１つの脚が前記信号ポートに結合され、前記ハイブリッド結合器の別の脚が前記別の信号ポートに結合された、請求項１９に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項２３】
前記第１の非縮退デバイスは、信号ポートとアイドラ・ポートとを含む第１のジョセフソン・パラメトリック変換器であり、前記第２の縮退デバイスは、別の信号ポートと別のアイドラ・ポートとを含む第２のジョセフソン・パラメトリック変換器であり、
前記方法は、
前記第１および第２のジョセフソン・パラメトリック変換器がマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成される、前記信号ポートを前記別の信号ポートに結合することと、
前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとの間の通信が前記位相差に基づくように、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとを前記信号ポートと前記別の信号ポートとに結合することとを含む、請求項１０ないし１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記第１のジョセフソン・パラメトリック変換器は、前記信号ポートに結合された信号共振器を含み、前記第２のジョセフソン・パラメトリック変換器は、前記別の信号ポートに結合された別の信号共振器を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
マイクロ波スイッチを動作させる方法であって、
前記マイクロ波スイッチによって、第１の入力／出力ポートと第２の入力／出力ポートとのうちのいずれか一方において信号を受信することと、
前記マイクロ波スイッチによって、位相差を有するポンプ信号を受信することと、
前記位相差に基づいて、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとの間の前記信号の通信を制御することとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には超伝導デバイスに関し、より詳細には、マイクロ波ドライブの位相によって完全に制御される、無損失可変透過−反射スイッチなどのマイクロ波スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波スイッチまたは高周波（ＲＦ）スイッチは、伝送路を通して高周波信号をルーティングするデバイスである。ＲＦスイッチおよびマイクロ波スイッチは、マイクロ波テスト・システムにおいて計器と被検デバイス（ＤＵＴ）との間での信号ルーティングのために広く使用されている。スイッチ・マトリックス・システムにスイッチを組み込むことによって、システムは複数の計器から単一または複数のＤＵＴに信号をルーティングすることができるようになる。これにより、複数のテストを同じ設定で行うことができ、したがって頻繁な接続と切断の必要がなくなる。テスト・プロセス全体を自動化することができ、それによって大量生産環境におけるシステム・スループットが向上する。他の電気スイッチのように、ＲＦスイッチおよびマイクロ波スイッチは多くの異なる用途のための異なる構成をもたらす。
【０００３】
超伝導量子コンピューティングは、超伝導電子回路での量子コンピュータの実装形態である。量子計算は、情報処理および通信のための量子現象の応用について研究する。量子計算の様々なモデルが存在し、最も一般的なモデルは、量子ビットと量子ゲートの概念を組み込んでいる。量子ビットは、２つの可能な状態を有するが、両方の状態の量子重ね合わせの状態をとることができるビットの一般概念である。しかし、量子ゲートは、１つまたは複数の量子ビットにそれぞれの初期状態が与えられ、ゲートが量子ビットに適用された後で量子ビットが受ける変換を表す。
【０００４】
量子ビットに付随する電磁エネルギーは、いわゆるジョセフソン接合と、量子ビットを形成するために使用される容量性素子および誘導素子とに格納することができる。一例では、量子ビット状態を読み出すために、マイクロ波読み出しキャビティに、キャビティ周波数で量子ビットに結合するマイクロ波信号が印加される。透過された（または反射された）マイクロ波信号は、複数の熱的分離段階と、雑音を除去または低減し、信号対雑音比を向上させるために必要な低雑音増幅器とを通る。マイクロ波信号は、室温で測定される。リターン／出力マイクロ波信号の振幅または位相あるいはその両方が、量子ビットが基底または励起状態にあるかまたは２つの状態の重ね合わせ状態にあるかなど、量子ビットの状態に関する情報を伝達する。マイクロ波スイッチは、量子ビット、量子ビット・ゲート、および量子通信一般に関連付けられた量子信号の通信で利用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、マイクロ波ドライブの位相によって完全に制御される、無損失可変透過−反射スイッチなどのマイクロ波スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態はマイクロ波スイッチを対象とする。このマイクロ波スイッチの非限定的な例は、第１のポートと第２のポートとを含む第１の非縮退デバイスを含む。マイクロ波スイッチは、別の第１のポートと別の第２のポートとを含む第２の非縮退デバイスを含み、上記第２のポートは上記別の第２のポートに結合され、上記第１の非縮退デバイスと上記第２の非縮退デバイスとはマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成される。マイクロ波スイッチは、上記第１のポートと上記別の第１のポートとに結合された第１の入力／出力ポートと、上記第１のポートと上記別の第１のポートとに結合された第２の入力／出力ポートとを含み、上記第１の入力／出力ポートと上記第２の入力／出力ポートとの間の通信が上記位相差に基づく。
【０００７】
本発明の実施形態は、マイクロ波スイッチを構成する方法を対象とする。この方法の非限定的な例は、第１のポートと第２のポートとを含む第１の非縮退デバイスと、別の第１のポートと別の第２のポートとを含む第２の非縮退デバイスとを設けることを含み、上記第２のポートは上記別の第２のポートに結合され、上記第１の縮退デバイスと上記第２の縮退デバイスとがマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成される。この方法は、上記第１のポートと上記別の第１のポートとに第１の入力／出力ポートを結合することと、上記第１のポートと上記別の第１のポートとに第２の入力／出力ポートを結合することとを含み、上記第１の入力／出力ポートと上記第２の入力／出力ポートとの間の通信が上記位相差に基づく。
【０００８】
本発明の実施形態は、マイクロ波スイッチを対象とする。このマイクロ波スイッチの非限定的な例は、信号ポートとアイドラ・ポートを含む第１のジョセフソン・パラメトリック変換器と、別の信号ポートと別のアイドラ・ポートとを含む第２のジョセフソン・パラメトリック変換器とを含み、上記信号ポートと上記別の信号ポートとが互いに結合され、上記第１と第２のジョセフソン・パラメトリック変換器はマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成される。このマイクロ波スイッチは、上記信号ポートと上記別の信号ポートとの間の通信が上記位相差に基づくように、上記信号ポートと上記別の信号ポートとに結合された第１の入力／出力ポートと第２の入力／出力ポートとを含む。
【０００９】
本発明の実施形態は、マイクロ波スイッチを構成する方法を対象とする。この方法の非限定的な例は、信号ポートとアイドラ・ポートとを含む第１のジョセフソン・パラメトリック変換器と、別の信号ポートと別のアイドラ・ポートとを含む第２のジョセフソン・パラメトリック変換器とを設けることを含む。この方法は、上記信号ポートを上記別の信号ポートに結合することを含み、上記第１と第２のジョセフソン・パラメトリック変換器はマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成される。また、この方法は、第１の入力／出力ポートと第２の入力／出力ポートとの間の通信が上記位相差に基づくように、上記第１の入力／出力ポートと上記第２の入力／出力ポートとを上記信号ポートと上記別の信号ポートとに結合することを含む。
【００１０】
本発明の実施形態は、マイクロ波スイッチを動作させる方法を対象とする。この方法の非限定的な例は、上記マイクロ波スイッチによって第１の入力／出力ポートと第２の入力／出力ポートとのうちの一方において信号を受信することを含む。この方法は、上記マイクロ波スイッチによって、位相差を有するポンプ信号を受信することと、上記位相差に基づいて上記第１の入力／出力ポートと上記第２の入力／出力ポートとの間の上記信号の通信を制御することとを含む。
【００１１】
その他の技術的特徴および利点も、本発明の技術により実現される。本発明の実施形態および態様について、本明細書で詳細に記載され、特許請求される主題の一部とみなされる。よりよく理解することができるように、詳細な説明および図面を参照されたい。
【００１２】
本明細書に記載の排他的権利の明細については、本明細書の末尾の特許請求の範囲で具体的に示され、明確に特許請求されている。本発明の実施形態の上記およびその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付図面とともに読めば明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態による、開スイッチとしての２ポート・マイクロ波スイッチを示す図である。
【図２】本発明の実施形態による、閉スイッチとしての２ポート・マイクロ波スイッチを示す図である。
【図３】本発明の実施形態による、周波数変換における非縮退３波混合デバイスの信号伝達線図を示す図である。
【図４】本発明の実施形態による、無損失または超伝導可変透過２ポート・マイクロ波スイッチを示す図である。
【図５】本発明の実施形態による、無損失可変透過２ポート・マイクロ波スイッチを示す図である。
【図６】本発明の実施形態による、ポンプ信号供給方法に修正が加えられた無損失可変透過２ポート・マイクロ波スイッチを示す図である。
【図７】本発明の実施形態による、無損失可変透過２ポート・マイクロ波スイッチを示す図である。
【図８】本発明の実施形態による、ポンプ信号の供給方法に修正が加えられた無損失可変透過２ポート・マイクロ波スイッチを示す図である。
【図９】本発明の実施形態による、無損失可変透過２ポート・マイクロ波スイッチの信号伝達線図を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態による、ある動作点におけるマイクロ波スイッチの一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態による、図１０と同じ動作点におけるマイクロ波スイッチであるが、位相差が異なる例を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態による、ある動作点におけるマイクロ波スイッチの一例を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態による、図１２と同じ動作点におけるマイクロ波スイッチであるが、位相差が異なる例を示す図である。
【図１４】図１４Ａは、本発明の実施形態による、Ｓ２１の場合のマイクロ波スイッチの経路１を示す図である。図１４Ｂは、本発明の実施形態による、Ｓ２１の場合のマイクロ波スイッチの経路２を示す図である。図１４Ｃは、本発明の実施形態による、Ｓ２１の場合のマイクロ波スイッチの経路３を示す図である。図１４Ｄは、本発明の実施形態による、Ｓ２１の場合のマイクロ波スイッチの経路４を示す図である。
【図１５】図１５Ａは、本発明の実施形態による、Ｓ２２の場合のマイクロ波スイッチの経路１を示す図である。図１５Ｂは、本発明の実施形態による、Ｓ２２の場合のマイクロ波スイッチの経路２を示す図である。図１５Ｃは、本発明の実施形態による、Ｓ２２の場合のマイクロ波スイッチの経路３を示す図である。図１５Ｄは、本発明の実施形態による、Ｓ２２の場合のマイクロ波スイッチの経路４を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態による、マイクロ波スイッチの５通りの動作モードの表を示す図である。
【図１７】本発明の実施形態による、ハイブリッド結合器が図示されていないマイクロ波スイッチの一例を示す図である。
【図１８】本発明の実施形態による、ハイブリッド結合器が図示されていないマイクロ波スイッチの一例を示す図である。
【図１９】本発明の実施形態による、ハイブリッド結合器への共振器の接続を示すマイクロ波スイッチの部分図を示す図である。
【図２０】本発明の実施形態による、マイクロ波スイッチを形成／構成する方法のフローチャートを示す図である。
【図２１】本発明の実施形態による、マイクロ波スイッチを形成／構成する方法のフローチャートを示す図である。
【図２２】本発明の実施形態による、マイクロ波スイッチを動作させる方法のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書に記載の図面は例示である。本発明の思想から逸脱することなく本明細書に記載の図面または動作には多くの変形があり得る。例えば、アクションは異なる順序で行うことができ、またはアクションを追加、削除または修正することができる。また、「結合された」という用語およびその変形は、２つの要素間に通信経路を有することを表し、それらの要素間に介在要素／接続のないそれらの要素間の直接接続を含意しない。これらの変形はすべて、本明細書の一部とみなされる。
【００１５】
添付図面および開示の実施形態の以下の詳細な説明では、図に示されている様々な要素に２桁または３桁の参照番号が付けられている。わずかな例外を除き、各参照番号の左端の桁は、その要素が最初に示されている図に対応する。
【００１６】
簡潔にするために、半導体デバイスまたは超伝導デバイスあるいはその両方および集積回路（ＩＣ）製造に関する従来の技術については、本明細書で詳細に記載する場合もしない場合もある。また、本明細書に記載の様々な作業およびプロセス工程は、本明細書で詳細に記載していない追加の工程または機能を有する、より包括的な手順またはプロセスに組み込むことができる。具体的には、半導体デバイスまたは超伝導デバイスあるいはその両方、および半導体／超伝導体ベースのＩＣの製造における様々な工程がよく知られており、したがって、簡潔にするために、本明細書では、多くの従来の工程については、周知のプロセスの詳細を示さずに簡単に言及するにとどめるかまたは完全に省略する。
【００１７】
次に、本発明の態様により具体的に関連する技術の概説に移ると、本明細書で前述したように、マイクロ波スイッチまたは高周波スイッチは、伝送路を通して高周波信号をルーティングするためのデバイスである。知られているマイクロ波スイッチには様々な欠点がある。例えば、知られているマイクロ波スイッチは、透過率が１未満であり、透過率がさらに低下するためにスケーラブルではなく、スイッチの入力と出力の間に寄生結合が生じる可能性がある。知られているマイクロ波スイッチのその他の問題としては、共振器の帯域幅と狭帯域ハイブリッドが、達成可能な最大帯域幅を実質的に約１５０メガヘルツ（ＭＨｚ）に制限し、４ポートを有するが３ポートのみが使用され、２つの共振器アーム間の臨界整合を必要とする。
【００１８】
次に本発明の態様の概説に移ると、本発明の１つまたは複数の実施形態は、スケーラブル量子プロセッサ・アーキテクチャおよび量子ネットワークにおける量子信号または制御信号あるいはその両方のルーティングに使用可能な（例えば図４に示すような）無損失超伝導マイクロ波スイッチを提供することによって、従来技術の上述の欠点に対処する。この無損失超伝導マイクロ波コンポーネントは、マイクロ波スイッチなどのマイクロ波デバイスとして実装することができる。マイクロ波デバイス／スイッチは、以下の散乱行列を使用して構成される。
【００１９】
【数１】
2021500781.tif 000003
【００２０】
ここで
【数２】
2021500781.tif 000004
はデバイスに供給するポンプ・ドライブの位相差である。このデバイスは、無損失マイクロ波スイッチとして使用することができる。このデバイスは、伝達信号の周波数を維持する。散乱パラメータは、ポンプ位相に依存する（ただし振幅には依存しない）。全範囲の制御のためには、約０から約π／２までの範囲で
【数３】
2021500781.tif 000005
を変化させるだけで十分である。
【００２１】
また、本発明の１つまたは複数の実施形態は、オンチップの２ポート・マイクロ波スイッチ（または、ＰＣＢ集積スイッチ）を実現するマイクロ波デバイスを提供する。このマイクロ波デバイスは、マイクロ波信号を透過またはブロック（反射）する。マイクロ波デバイスは、５通りの動作モードをサポートする。すなわち、同相の反射器、位相打ち消し反射器、相反透過、非相反透過、または可変透過−反射ビーム・スプリッタ、あるいはその組み合わせである。本発明の実施形態では、マイクロ波デバイスは、２つの非縮退ジョセフソン３波ミクサと、ポンプ信号のための、１つの９０°ハイブリッド結合器と、１つの１８０°ハイブリッド結合器とを含み得る。また、マイクロ波デバイス（すなわちマイクロ波スイッチ）は、２つの３波ミクサに供給するポンプの一方のアーム上に、任意による移相器を含むことができる。２つの非縮退３波混合ジョセフソン素子は、間に遅延線路を介在させるかまたは介在させずにバック・ツー・バック結合することができる。２つの非縮退３波混合ジョセフソン素子は、透過時の信号のアップコンバージョン／ダウンコンバージョンを行う。非縮退３波混合デバイスは、無雑音周波数変換モード（すなわち光子利得なし）で動作させられる。動作点に関する１つの条件は、両方の非縮退３波混合デバイス（例えばジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ））が同じ動作点で動作させられること、すなわち、その透過パラメータについて等しい反射パラメータと等しい振幅とを有することである。したがって、非縮退３波混合デバイスは、各アクティブ・ビーム・スプリッタが３つの物理的に分離したポートを有するようなアクティブ・ビーム・スプリッタとして機能する。１つのポートは周波数ｆ１の信号をサポートする。別のポートは周波数ｆ２の信号をサポートする。第３のポートは、ポンプ・ドライブを供給することができる。ポンプ周波数ｆｐは、ｆ２とｆ１との周波数差に等しい。一般性を失わず、ｆ２＞ｆ１であるものとする。
【００２２】
より詳細には、本発明の上記の態様は、２つの非縮退３波混合ジョセフソン・デバイスに供給するポンプ・ドライブ間の位相差が、デバイスを横断する信号への非相反位相シフトを誘起するように、マイクロ波デバイス／スイッチを提供し、構成することによって、従来技術の欠点に対処する。この構成は、透過率１の透過およびスケーラビリティを可能にする。ｆ１の信号をサポートする２つのアクティブ・ビーム・スプリッタの２つのポートは、９０°ハイブリッド結合器に接続される。ｆ２の信号をサポートする２つのアクティブ・ビーム・スプリッタの２つのポートは、本発明のある実施形態では遅延線路を介して互いに接続される。この共用ポート（例えば図４に示すポートｂ１およびｂ２）は、デバイスの内部モードをサポートし、この方式は無損失である。無損失遅延線路は、互いに接続されたポート（例えばポートｂ１とｂ２）の周波数でパイ（π）ラジアンの倍数の有効電気長を有する必要がある。２つのアクティブ・ビーム・スプリッタは、名目上同一である（ものとする）。特定の動作点におけるマイクロ波デバイスの散乱パラメータは、４つの主要経路間の波干渉によって決まる。ポートｉからｊ（ｉ，∈｛１，２｝）に伝播する波が相殺的に干渉する場合、ｉからｊへの共振時の散乱パラメータは消滅する。ポートｉからｊ（ｉ，∈｛１，２｝）に伝播する波が強め合うように干渉する場合、ｉからｊへの共振時の散乱パラメータは（ほとんどまたは実質的に）１である。この非縮退３波ミクサは、ＪＰＣを使用して実現可能であり、ＪＰＣの帯域幅は給電線路のインピーダンス・エンジニアリングを使用して向上させることができる。
【００２３】
次に、図面に移ると、図１に、本発明の実施形態による、開スイッチとして示されている２ポート・マイクロ波スイッチを示す。図２に、本発明の実施形態による、閉スイッチとして示されている２ポート・マイクロ波スイッチ１００を示す。
【００２４】
図１で、開いた２ポート・スイッチの散乱行列（大域的位相まで）は以下の通りである。
【００２５】
【数４】
2021500781.tif 000006
【００２６】
図１は、左側（ポート１）から右側（ポート２）に向かって伝播するが、反射率１でポート１から反射される波を示す。また、図１は、右側（ポート２）から左側（ポート１）に向かって伝播するが、反射率１でポート２から反射される波も示す。
【００２７】
図２で、閉じた２ポート・スイッチの散乱行列（大域的位相まで）は、以下の通りである。
【００２８】
【数５】
2021500781.tif 000007
【００２９】
図２は、左側（ポート１）から右側（ポート２）に向かって伝播し、透過率１でポート２に伝送される波を示す。また、図２は、右側（ポート２）から左側（ポート１）に向かって伝播し、透過率１でポート１に伝送される波も示す。
【００３０】
次に、無損失可変透過マイクロ波スイッチの一般散乱行列を以下に示す。
【００３１】
【数６】
2021500781.tif 000008
ここで、｜ｒ｜２＋｜ｔ｜２＝１であり、｜ｒ｜２＋｜ｔ’｜２＝１である。
【００３２】
例として、信号パワーの半分が反射され、信号パワーの半分が透過される５０：５０ビーム・スプリッタとして機能するマイクロ波スイッチを考える。この場合、
【数７】
2021500781.tif 000009
および
【数８】
2021500781.tif 000010
であり、散乱行列は以下の通りである。
【００３３】
【数９】
2021500781.tif 000011
【００３４】
別の例として、信号パワーの４分の１（２５％）が反射され、４分の３（７５％）が透過される２５：７５ビーム・スプリッタとしてのマイクロ波スイッチを考える。この場合、
【数１０】
2021500781.tif 000012
、
【数１１】
2021500781.tif 000013
および散乱行列は以下の通りである。
【００３５】
【数１２】
2021500781.tif 000014
【００３６】
図３に、本発明の実施形態による、周波数変換（光子利得なし）において動作させた非縮退３波混合デバイスの信号伝達線図を示す。この非縮退３波混合デバイスは、無損失マイクロ波スイッチの一部として使用することが可能であるが、伝送信号の周波数を維持しない。また、散乱パラメータは図３のポンプ振幅に依存する。この非縮退３波ミクサは、ジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ）とすることができる。
【００３７】
共振時、非縮退３波ミクサ（例えばＪＰＣ）は、無雑音周波数変換で動作させた場合、以下の散乱行列を満たす。
【００３８】
【数１３】
2021500781.tif 000015
上式で、ｔａｎｈ（ｉθ／２）＝ｉ｜ρ｜であり、ρは無次元ポンプ振幅（０と１の間で変動する）である。
【００３９】
非縮退３波ミクサに加えられる修正として、および本明細書でさらに認識されるように、本発明の実施形態により、ポンプの位相
【数１４】
2021500781.tif 000016
（これは２つのポンプ信号について
【数１５】
2021500781.tif 000017
および
【数１６】
2021500781.tif 000018
と表記する場合がある）を利用する。散乱行列はユニタリ行列であるため、｜ｒ｜２＋｜ｔ｜２＝１の関係が成立し、ここでｒは反射係数であり、ｔは透過パラメータであり、ｔ’＝−ｔ＊である（ｔ＊はｔの共役である）。ユニタリは、非縮退３波ミクサがエネルギーと位相のコヒーレンスとを維持することを意味する。超伝導非縮退３波混合デバイスの完全変換動作点は、｜ｒ｜２＝０、｜ｔ｜２＝１である。完全変換動作点では、反射がなく、周波数変換による完全透過がある。
【００４０】
図３で、超伝導非縮退３波混合デバイスは、信号ポート（Ｓ）と、アイドラ・ポート（Ｉ）と、ポンプ・ポート（Ｐ）の３つのポートを有する。超伝導非縮退３波混合デバイスは、アイドラ・ポートから信号ポートへの透過ｔと、信号ポートからアイドラ・ポートへの透過ｔ’とを有する。アイドラ・ポートから信号ポートへは、アイドラ・マイクロ波信号が周波数ｆ２でアイドラ・ポートに入り、ダウンコンバートされ、周波数ｆ１で信号ポートから出る。信号ポートからアイドラ・ポートへは、信号マイクロ波信号が周波数ｆ１で信号ポートに入り、アップコンバートされ、周波数ｆ２でアイドラ・ポートから出る。ポンプ・マイクロ波信号は、周波数アップコンバージョンおよび周波数ダウンコンバージョンのためのエネルギーを供給する。ポンプ周波数はｆｐであり、ｆｐ＝ｆＩ−ｆＳ＝ｆ２−ｆ１である。
【００４１】
図４に、本発明の実施形態による、（超伝導）無損失可変透過２ポート・マイクロ波スイッチ４００を示す。マイクロ波スイッチ４００は、２つの非縮退ジョセフソン３波混合ミクサ４０２＿１および４０２＿２を含む。マイクロ波スイッチ４０２＿１と４０２＿２は、同じであるように設計されている。例えば、マイクロ波スイッチ４０２＿１と４０２＿２は、同一または名目上同一である。マイクロ波スイッチ４０２＿１と４０２＿２は、それぞれ機能的に同等のポートａ、ｂおよびｐを有し、マイクロ波スイッチ４０２＿１の場合はポートａ１、ｂ１およびｐ１、マイクロ波スイッチ４０２＿２の場合はポートａ２、ｂ２、およびｐ２とラベル付けされている。マイクロ波スイッチ４０２＿１および４０２＿２のそれぞれポートａ１およびａ２に、９０°ハイブリッド結合器４０４が接続されている。ポートａ１およびａ２は、それぞれ、ジョセフソン・パラメトリック変換器の信号（Ｓ）共振器など、それぞれの共振器に接続されている。ポートｂ１およびｂ２は、それぞれ、ジョセフソン・パラメトリック変換器のアイドラ（Ｉ）共振器など、それぞれの共振器に接続されている。３波ミクサ４０２＿１では、信号共振器とアイドラ共振器がジョセフソン・リング変調器に接続されている。同様に、３波ミクサ４０２＿２では、信号共振器とアイドラ共振器がジョセフソン・リング変調器に接続されている。ポンプ・ポートｐ１およびｐ２は、ＪＲＭ１５１０の２つの隣接するノードに容量結合された、短絡結合ストリップ線路の形態のオンチップ磁束線路に接続することができる。このようなポンプ線路は、ポンプ周波数のマイクロ波トーンと、３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２のＪＲＭ１５１０に磁束バイアスをかける直流電流の両方をサポートすることができる。一実装形態では、ポンプ・ポートｐ１およびｐ２は、信号共振器の他端に接続することができる（すなわち、ポートａ１およびａ２がある端部には接続されない）。一実装形態では、ポンプ・ポートｐ１およびｐ２は、アイドラ共振器の他端に接続することができる（すなわち、ポートｂ１およびｂ２がある端部には接続されない）。
【００４２】
２つの非縮退３波混合ジョセフソン素子４０２＿１および４０２＿２は、間に遅延線路（図９で遅延線路９０２として図示されている）を介在させて、または介在させずにポートｂ１およびｂ２によってバック・ツー・バックで結合されている。ポート１とポート２は、９０°ハイブリッド結合器４０４のポートである。ポート１は、ポート２が出力ポートである場合に入力ポートであり、信号はポート１からポート２に流れるものとする。逆に、信号が逆方向に流れる場合、ポート１が出力ポートであり、ポート２が入力ポートである。２つの非縮退３波混合ジョセフソン素子４０２＿１および４０２＿２は、伝送時に信号のアップコンバージョン／ダウンコンバージョンを行う。非縮退３波混合デバイス４０２＿１および４０２＿２は、無雑音周波数変換モード（すなわち光子利得なし）で動作させ、両方のデバイス４０２＿１および４０２＿２は、同じ動作点で動作させ、すなわち、それぞれの透過パラメータについて等しい反射パラメータと等しい振幅とを有する。したがって、非縮退３波混合デバイスは、アクティブ・ビーム・スプリッタとして機能する。アクティブ・ビーム・スプリッタは、３つの物理的に分離したポートを有する。例えば、ポートａ１およびａ２は周波数ｆ１の信号をサポートする。ポートｂ１およびｂ２は周波数ｆ２の信号をサポートする。ポンプ・ポートｐ１およびｐ２は、ポンプ・ドライブの供給を可能にする。ポンプ周波数ｆｐは、ｆｐ＝ｆ２−ｆ１のように、ｆ２とｆ１との周波数差に等しい。例えば、デバイス４０２＿１のポンプ・ポートｐ１は、ポンプ周波数ｆｐおよび位相
【数１７】
2021500781.tif 000019
のポンプ信号／ドライブ（ポンプ信号１）を受信する。デバイス４０２＿２のポンプ・ポートｐ２は、ポンプ周波数ｆｐおよび位相
【数１８】
2021500781.tif 000020
のポンプ信号／ドライブ（ポンプ信号２）を受信する。マイクロ波スイッチ４００は、３波ミクサ４０２＿１のポンプ信号供給ポンプ・ポートｐ１と３波ミクサ４０２＿２のポンプ・ポートｐ２との間のポンプ位相差に基づいて、開スイッチ（すなわち信号の反射）、または閉スイッチ（信号の透過）、または可変透過−反射（信号の一部を透過する一方で、信号の残りの部分を反射する）、あるいはその組み合わせとして動作するように設計される。ポンプ位相差は、
【数１９】
2021500781.tif 000021
と定義される。２つの非縮退３波混合ジョセフソン・デバイス４０２＿１および４０２＿２に（それぞれポンプ・ポートｐ１およびｐ２を介して）供給するポンプ・ドライブ間の位相差は、デバイス４００を横断する信号（例えばポート１および２を通るｆ１の信号）への非相反位相シフトを誘起する。
【００４３】
図４に、透過モード、すなわち、周波数ｆ１の信号がハイブリッド結合器４０４のポート１に入力され、結合器４０４を介して３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２に伝送され、ポート１を介して出力される、超伝導マイクロ波スイッチ４００を示す。逆に、周波数ｆ１の信号がハイブリッド結合器４０４のポート２に入力可能であり、結合器４０４を介して３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２に伝送され、ポート２を介して出力されることができる。この例では、超伝導マイクロ波スイッチ４００はマイクロ波信号の閉スイッチとして動作する。
【００４４】
図５に、本発明の実施形態による、無損失可変透過２ポート・マイクロ波スイッチ４００を示す。図５は、マイクロ波スイッチ４００が反射モード、すなわち開スイッチとして動作する実施例を示す。（ポンプ・ポートｐ１およびｐ２をそれぞれ介して）２つの非縮退３波混合ジョセフソン・デバイス４０２＿１および４０２＿２に供給するポンプ・ドライブ間の位相差が、スイッチが開状態であるか閉状態であるかを決定する。この例では、周波数ｆ１の信号がハイブリッド結合器４０４のポート１に入力されるものとする。周波数ｆ１の信号はポート１で反射され、ポート２を通して出力されない。逆に、ｆ１の信号がポート２に入力されると、信号は反射されてポート２に戻り、ポート１を通して出力されることができない。
【００４５】
図６に、本発明の実施形態による、ポンプ信号が供給される方法に修正を加えた無損失可変透過２ポート・マイクロ波スイッチ４００を示す。図６のマイクロ波スイッチ４００は、図５の要素を含む。さらに、マイクロ波デバイス４００は、ポンプ周波数ｆｐのポンプ信号のための１８０°ハイブリッド結合器６０２を含む。また、マイクロ波スイッチ４００は、２つの３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２に供給するポンプの１つのアーム上に可変移相器６０４を含み得る。１８０°ハイブリッド結合器６０２を通過した後、移相器６０４がポートｐ１とポートｐ２に供給するポンプ信号間に位相差
【数２０】
2021500781.tif 000022
を生じさせる。したがって、（ポンプ・ポートｐ１およびｐ２をそれぞれ介して）２つの非縮退３波混合ジョセフソン・デバイス４０２＿１および４０２＿２に供給するポンプ・ドライブ間のポンプ位相差
【数２１】
2021500781.tif 000023
は、デバイス４００を横断する信号（例えば、ポート１および２を通るｆ１の信号）に非相反位相シフトを誘起する。
【００４６】
１８０°ハイブリッド結合器６０２とともにマイクロ波スイッチ４００を動作させる一例として、ポンプ周波数ｆｐのポンプ信号が１８０°ハイブリッド結合器６０２のΣポートで受信され、分割される。ポンプ信号の半分が１８０°ハイブリッド結合器６０２の直線バーに沿ってポンプ・ポートｐ１まで０°の位相シフトで進み、他の半分がクロス・バーを通ってポンプ・ポートｐ２まで０°の位相シフトで進む。ポートｐ２に到達する前に、ポンプ信号は可変移相器６０４が生じさせる位相シフトを（周波数ｆｐで）受ける。可変移相器６０４による位相シフトは、３波ミクサ４０２＿２のポートｐ２に入るポンプ信号の位相
【数２２】
2021500781.tif 000024
を、３波ミクサ４０２＿１のポートｐ１に入るポンプ信号の位相
【数２３】
2021500781.tif 000025
とは異ならせる。また、図４および図５のように２つの別々のポンプ信号／ドライブが入力される必要なしに、可変移相器６０４がポートｐ１に入るポンプ信号１とポートｐ２に入るポンプ信号２との間に位相差
【数２４】
2021500781.tif 000026
を生じさせるように、１８０°ハイブリッド結合器６０２が１つのポンプ信号を使用して周波数ｆｐの２つの別々のポンプ信号（ポンプ１およびポンプ２）を生成するように構成される。本明細書に記載のように、位相差は、ポート１に入る周波数ｆ１の信号がポート２から出力されるか、またはその信号が反射されてポート１に戻るかを決定する。逆に、位相差は、ポート２に入る周波数ｆ１の信号がポート１から出力されるか、またはその信号が反射されてポート２に戻されるかを決定する。移相器６０４は様々な方法で実装することができる。移相器６０４の例としては、完全周波数変換で動作させる２つの結合されたジョセフソン・パラメトリック変換器と、直流ＳＱＵＩＤ（直流超伝導量子干渉デバイス）が中央に埋め込まれた半波長超伝導共振器とがある。前者の例では、２つのＪＰＣに供給するポンプ間の位相差が伝送信号の位相シフトを決定し、後者の例では、直流ＳＱＵＩＤを通り抜ける磁束を調節することによって、共振器の共振周波数がシフトされ、それによって共振器を通る伝送信号の位相をシフトさせる。なお、図１７に、図を簡単かつ簡潔にするためにハイブリッド結合器４０４および６０２が示されていない、図４、図５および図６の実装形態を示す。
【００４７】
図７に、本発明の実施形態による無損失可変透過２ポート・マイクロ波スイッチ４００を示す。３波ミクサ４０２＿１において、ポートａ１が共振器（例えば信号共振器）の一端に接続し、他端は接地に接続されている。具体的には、共振器（例えば信号共振器）は２つの給電線路を有し、一方の給電線路が（図４および図５のように）９０°ハイブリッド結合器４０４に接続し、他方の給電線路が接地に接続（短絡）されている（これと同じことがミクサ４０２＿２にも同様に当てはまる）。図４および図５では、信号共振器は、（図７とは異なり）９０°ハイブリッド結合器４０４の１つの脚である１つの給電線路に接続され、したがって、単一のポートａ１のみがミクサ４０２＿１の共振器に供給している様子が示されている（これと同じことがミクサ４０２＿２にも同様に当てはまる）。
【００４８】
同様に、ポートｂ１の場合（同じことがミクサ４０２＿２のポートｂ２にも同様に当てはまる）、ポートｂ１が共振器（例えばアイドラ共振器）の一端に接続し、他端が接地に接続されている。具体的には、共振器（例えばアイドラ共振器）は２つの給電線路を有し、一方の給電線が（図４および図５のように）他方のアイドラ共振器の１つの給電線路に接続し、他方の給電線路が接地に接続（短絡）されている。１つの給電線路を接地に接続することにより、アイドラ共振器または信号共振器がシングル・エンドとされ、すなわち、共振器の入力信号と出力信号とが１つの給電線路のみによって伝送される。上述のように、ポンプ信号１は周波数ｆｐおよび位相
【数２５】
2021500781.tif 000027
でポートｐ１に印加され、一方、ポンプ信号２は周波数ｆｐおよび位相
【数２６】
2021500781.tif 000028
でポートｐ２に印加されて、位相差
【数２７】
2021500781.tif 000029
を生じさせる。この位相差がマイクロ波スイッチ４００の動作を決定する。図４で説明したのと同様に、図７の超伝導マイクロ波スイッチ４００は、透過モードで動作することができ、これは周波数ｆ１の信号がハイブリッド結合器４０４のポート１に入力され、結合器４０４を介して３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２に伝送され、ポート２から出力されることを意味する。逆に、周波数ｆ１の信号がハイブリッド結合器４０４のポート２に入力され、結合器４０４を介して３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２に伝送され、ポート１から出力されることができる。さらに、図５で説明したのと同様に、図７の超伝導マイクロ波スイッチ４００は、反射モードで動作することができる。ハイブリッド結合器４０４のポート１に入力される周波数ｆ１の信号の場合、ｆ１の信号はポート１で反射されてポート２から出力されない。逆に、ｆ１の信号がポート２に入力されると、信号は反射してポート２に戻り、ポート１から出力されることができない。なお、図１８に、図を単純かつ簡潔にするために、ハイブリッド結合器４０４および６０２が図示されていない、図７の一実装形態を示す。
【００４９】
図８に、本発明の実施形態による、ポンプ信号の供給方法に変更を加えた無損失可変透過２ポート・マイクロ波スイッチ４００を示す。図８のマイクロ波スイッチ４００は、本明細書で記載している要素を含む。２つの３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２において、ポートａ１およびａ２がそれぞれの共振器（例えば信号共振器）の２端に接続され、共振器は２つの給電線路を有し、一方の給電線路は９０°ハイブリッド結合器４０４に接続し、他方の給電線路が接地に接続（短絡）されている。同様に、ミクサ４０２＿１および４０２＿２のポートｂ１およびｂ２の場合、ポートｂ１およびｂ２はそれぞれの共振器（例えばアイドラ共振器）の２端に接続し、共振器は２つの給電線路を有し、一方の給電線路は他方のアイドラ共振器の１つの給電線に接続し、他方の給電線が接地に接続（短絡）されている。
【００５０】
この変更版の３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２は、（図６で説明したように）ポンプ周波数ｆｐのポンプ信号を受信するために１８０°ハイブリッド結合器６０２に接続され、マイクロ波スイッチ４００は、２つの３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２に供給するポンプの一方のアーム上に可変移相器６０４を含む。１８０°ハイブリッド結合器６０２の機能は本明細書に記載されているように動作する。
【００５１】
可変移相器をオンチップで実装するための１つの選択肢は、最大周波数がポンプ周波数に等しい直流ＳＱＵＩＤを中央に備えた対称２ポート共振器を使用することである。共振器周波数を共振器帯域幅の範囲内でわずかにシフトさせることによって、伝送ポンプの位相を０°から９０°の間でシフトさせることができる。この選択肢を使用することの課題は、共振周波数をシフトさせるときに共振器を通る伝送ポンプ信号の振幅が０ｄＢないし３ｄＢの範囲で減衰することが予期されるため、他方のＪＰＣ段に供給するポンプの振幅をバランスさせることである。
【００５２】
図９に、本発明の実施形態による超伝導マイクロ波スイッチ／デバイス４００の信号伝達線図を示す。ｆ２の信号をサポートするミクサ４０２＿１および４０２＿２（２つのアクティブ・ビーム・スプリッタ）の２つのポートｂ１およびｂ２は遅延線路９０２（例えば無損失伝送線路）を介して互いに接続される。一実装形態では、遅延線路９０２は存在しない。この信号伝達線図は、ポート１および２と、９０°ハイブリッド結合器４０４と、ミクサ４０２＿１と、ミクサ４０２＿２と、遅延線路９０２とを通る信号の流れを示す。この信号の流れの方式は無損失である。無損失遅延線路９０２は、互いに接続されたポートｂ１およびｂ２の周波数でπラジアンの倍数の有効電気長を有する必要がある。２つのアクティブ・ビーム・スプリッタは、名目上同一である（ものとする）。ある動作点におけるマイクロ波デバイス４００の散乱パラメータは、（複数（または無限）の経路があるが）４つの主要経路間の波干渉によって決まる。ポートｉからｊ（ｊ，∈｛１，２｝）まで伝播する波が相殺的に干渉する場合、ポートｉからｊまでの共振時の散乱パラメータは消滅する。ポートｉからｊ（ｊ，∈｛１，２｝）まで伝播する波が強め合う干渉をする場合、ｉからｊまでの共振時の散乱パラメータはほぼ１である。
【００５３】
ポンプは、｜ｒ｜２＋｜ｔ｜２＝１かつ位相差が
【数２８】
2021500781.tif 000030
の場合に有効化されるものとする。位相シフトは、
【数２９】
2021500781.tif 000031
と定義される。（ポートｂ１とポートｂ２との間の）伝送線路９０２をｆ２で伝播する信号が受ける位相シフトは、
【数３０】
2021500781.tif 000032
である。ｆ２のマイクロ波信号の角振動数はω２＝２πｆ２である。遅延／伝送線路９０２の遅延時間は
【数３１】
2021500781.tif 000033
であり、ｃは光速、ｌｄは伝送線路（９０２）の有効電気長、εは伝送線路の実効誘電率である。
【００５４】
図９の信号伝達線図において、ｒ１およびｒ２は反射率、ｔ１、ｔ’１、ｔ２、およびｔ’２はそれぞれ、ミクサ４０２＿１および４０２＿２の透過パラメータであり、ｔ’１＝−ｔ’＊１（ｔ＊１はｔ１の共役）であり、ｔ’２＝−ｔ＊２（ｔ＊２はｔ２の共役）である。ｔ１はｔ２と等しいかまたはほぼ等しいものとし、ｒ１はｒ２と等しいかまたはほぼ等しいものとする。
【００５５】
なお、ポート１に入るｆ１の信号がマイクロ波スイッチ４００を流れる経路、または、ポート２に入るｆ１の信号が流れる経路、あるいはその両方は多数あることを理解されたい。ポート１またはポート２に入るｆ１の任意の信号について、波干渉の結果、位相差
【数３２】
2021500781.tif 000034
に基づいて、透過または反射あるいはその両方を決定する４つの主要経路となる。
【００５６】
理解と説明がしやすいように、以下では見出しを使用する。見出しは限定的であることを意味しないことを理解されたい。
【００５７】
Ｉ．信号伝達線図に基づくデバイス方程式
【００５８】
以下は、本発明の実施形態による、信号伝達線図に基づくマイクロ波スイッチ４００のデバイス方程式である。
【００５９】
まず、散乱行列
【数３３】
2021500781.tif 000035
を使用すると、対角の散乱パラメータは、反射パラメータを規定するＳ１１およびＳ２２である。非対角の散乱パラメータは、透過パラメータを規定するＳ２１およびＳ２２である。このＳ行列の結果は以下の通りである（式Ａ）。
【００６０】
【数３４】
2021500781.tif 000036
中間結果は、
【００６１】
【数３５】
2021500781.tif 000037
であり、これを以下のように書き換えることができる（式Ｂ）。
【００６２】
【数３６】
2021500781.tif 000038
上式で
【数３７】
2021500781.tif 000039
である。
【００６３】
なお、当業者にはわかるように、例えば表記Ｓ２１は、ポート１から入ってポート２から出る信号（周波数ｆ１）の散乱パラメータ（透過パラメータ）を表す。同様に、例えば表記Ｓａ１ａ２は、ポートａ２から入ってポートａ１から出る信号の散乱パラメータ（透過パラメータ）を表す。アイドラ共振器間（例えば結合されたポートｂ１とｂ２との間）の自己ループのためにポート１とポート２（およびその逆の）の間の実際の可能な異なる経路は多数または無限にあるが、上記の式からわかるように、波干渉が与えられると、Ｓ１１、Ｓ２２、Ｓ２１、およびＳ１２は、当業者にはわかるようにそれぞれ４つの主要経路を有する。ただし、式Ｂにおける散乱パラメータは、可能なすべての経路を考慮に入れており、その後、式Ａにおけるデバイス全体の散乱パラメータを考慮に入れている。また、散乱パラメータＳ１１およびＳ２１は、ポート１に入り、その後それぞれポート１から出るかまたはポート２から出る（周波数ｆ１の）信号についてのマイクロ波スイッチ４００の動作を規定する。同様に、散乱パラメータＳ２２およびＳ１２は、ポート２から入り、その後それぞれポート２から出るかまたはポート１から出る（周波数ｆ１の）信号についてのマイクロ波スイッチ４００の動作を規定する。
【００６４】
ＩＩ．同じ動作点において動作させた名目上同一のミクサの特殊な事例
【００６５】
次に、同じ動作点で動作させた名目上同一のミクサ４０２＿１および４０２＿２の特殊な事例に移ると、ｒ１＝ｒ２＝ｒ、｜ｔ１｜＝｜ｔ’１｜＝｜ｔ２｜＝｜ｔ’２｜＝ｔ（すなわち、ミクサ４０２＿１と４０２＿２とがバランスされる）、
【数３８】
2021500781.tif 000040
および｜ｒ｜２＋｜ｔ｜２＝１の関係が満たされる。この特殊な事例では、Ｓ行列の結果は以下の通りであり、
【００６６】
【数３９】
2021500781.tif 000041
この結果（最終的に）以下のようになる。
【００６７】
【数４０】
2021500781.tif 000042
【００６８】
ＩＩＩ．同じ動作点で動作させた名目上同一のミクサの特殊な事例
【００６９】
この場合も、同じ動作点で動作させた名目上同一のミクサ４０２＿１および４０２＿２の特殊な事例の場合、ｒ１＝ｒ２＝ｒ、｜ｔ１｜＝｜ｔ’１｜＝｜ｔ２｜＝｜ｔ’２｜＝ｔ（すなわち、ミクサ４０２＿１と４０２＿２とがバランスされる）、
【数４１】
2021500781.tif 000043
および｜ｒ｜２＋｜ｔ｜２＝１の関係が満たされる。
【００７０】
さらに、伝送線路
【数４２】
2021500781.tif 000044
（ここでｋ＝０、±１、±２、…）を伝播するｆ２の（アイドラ共振器の）共振信号が受ける位相シフトの場合、散乱パラメータは以下の通りである（式Ｃ）。
【００７１】
Ｓａ１ａ１＝Ｓａ２ａ２＝０
【数４３】
2021500781.tif 000045
この結果、以下のようになる。
【００７２】
【数４４】
2021500781.tif 000046
【００７３】
ｒおよびｔの値にかかわらず、ｔ＞０かつｒ＜１である限り、マイクロ波スイッチ４００はオンにされる。Ｓ行列は、
【００７４】
【数４５】
2021500781.tif 000047
であり、ここで、−ｉは大域的位相であり、無視することができる。一実装形態では、大域的位相は任意に選択可能であるか、測定不能であるか、またはその両方である。
【００７５】
【数４６】
2021500781.tif 000048
である場合、散乱パラメータは以下のように簡単化する（式Ｄ）。
【００７６】
【数４７】
2021500781.tif 000049
【００７７】
上記からわかるように、これらの式は、Ｓ行列の散乱パラメータがポンプ信号の位相差
【数４８】
2021500781.tif 000050
に依存し、それにより、
【数４９】
2021500781.tif 000051
（ここでｋ＝０、±１、±２、．．．）の場合に実現される、対角に１／−１がある（つまり、反射すなわち開スイッチである）か、または
【数５０】
2021500781.tif 000052
（ここでｋ＝０、±１、±２、．．．）の場合に実現される、非対角に１／−１がある（つまり透過、すなわち閉スイッチ）であるかが決まる。この結果は、０とπ／２（またはπ／２とπ、など）の間にある
【数５１】
2021500781.tif 000053
の場合、スイッチは可変反射−透過パラメータを有し得ることも示している。例えば、
【数５２】
2021500781.tif 000054
の場合、反射パラメータと透過パラメータの振幅は
【数５３】
2021500781.tif 000055
に等しく、これはこの動作点においてスイッチが５０：５０ビーム・スプリッタとして機能することになることを意味する。すなわち、信号パワーの半分が元のポートに反射され、半分が他方のポートに伝送されることになる。
【００７８】
図１０に、本発明の実施形態による、ある動作点におけるマイクロ波スイッチ４００の一例を示す。図１１に、本発明の実施形態による、異なる位相差を有すること以外は図１０と同じ動作点におけるマイクロ波スイッチ４００の一例を示す。マイクロ波スイッチ４００は、マルチパス干渉ジョセフソン・スイッチ（ＭＰＩＪＳＷ）である。図１０は、開スイッチとしてのマイクロ波スイッチ４００を示している。図１０で、マイクロ波スイッチ４００の一部である非縮退マイクロ波ミクサが５０：５０ビーム・スプリッタ点で動作している。図１０および図１１（以下で説明）において、３波ミクサ４０２＿１と４０２＿２とは名目上同一であり（すなわちバランスされているか同じであり）、これらのミクサの散乱パラメータの振幅は
【数５４】
2021500781.tif 000056
および
【数５５】
2021500781.tif 000057
によって与えられる。（図１０および図１１の）マイクロ波スイッチ４００では、遅延線路９０２の透過振幅は｜α｜＝１であり、伝送線路９０２に沿ってｆ２で伝播することによって得られる位相シフトは
【数５６】
2021500781.tif 000058
（共振時）である。図１０および図１１で、散乱行列は
【数５７】
2021500781.tif 000059
である。図１０で、ポンプ信号の位相差は
【数５８】
2021500781.tif 000060
である（これは図１１とは異なる）。
【数５９】
2021500781.tif 000061
の場合、散乱行列は
【数６０】
2021500781.tif 000062
となり、これは対角（ｒ）の１を反射の標識として示しており、したがって開スイッチである。
【００７９】
図１１は、本発明の実施形態による、この動作点におけるマイクロ波スイッチ４００の一例を示す。図１１は、スイッチ４００について図１０と同じパラメータを含むが、図１１は閉スイッチである。ただし、図１１においてポンプ信号間の位相差は
【数６１】
2021500781.tif 000063
であり、その結果、散乱行列は
【数６２】
2021500781.tif 000064
となり、これは非対角（ｔ）の１を透過の標識として示している。
【００８０】
図１２に、本発明の実施形態による、ある動作点におけるマイクロ波スイッチ４００の一例を示す。図１３に、本発明の実施形態による、異なる位相差
【数６３】
2021500781.tif 000065
を有する以外は図１２と同じ動作点におけるマイクロ波スイッチ４００の一例を示す。
【００８１】
図１２は、開スイッチとしてのマイクロ波スイッチ４００を示している。図１２では、マイクロ波スイッチ４００の一部である非縮退マイクロ波ミクサが２５：７５ビーム・スプリッタ点で動作しており、これは各ミクサが信号パワーの１／４を元の点に反射し、周波数変換を行って信号パワーの３／４を他方のポートに伝送することを意味する。図１２および図１３（以下で説明）において、３波ミクサ４０２＿１と４０２＿２とは名目上同一（すすなわちバランスされているか同じ）であり、それぞれの散乱パラメータの振幅はｒ１＝ｒ２＝ｒ＝１／２および
【数６４】
2021500781.tif 000066
によって与えられる。マイクロ波スイッチ４００（図１０および図１１）では、遅延線路９０２の透過振幅は｜α｜＝１であり、伝送線路９０２をｆ２で伝播することによって得られる位相シフトは
【数６５】
2021500781.tif 000067
である（共振時）。図１２および図１３で、散乱行列は
【数６６】
2021500781.tif 000068
である。図１２で、ポンプ信号の位相差は
【数６７】
2021500781.tif 000069
である（これは図１３とは異なる）。
【数６８】
2021500781.tif 000070
の場合、散乱行列は
【数６９】
2021500781.tif 000071
となり、これは対角（ｒ）の１を反射の標識として示しており、したがって開スイッチである。
【００８２】
図１３は、本発明の実施形態による、この動作点におけるマイクロ波スイッチ４００の一例を示す。図１３は図１２と同じスイッチ４００のパラメータを含むが、図１３は、位相差のために閉スイッチである。具体的には、図１３では、ポンプ信号間の位相差は
【数７０】
2021500781.tif 000072
であり、その結果、散乱行列
【数７１】
2021500781.tif 000073
となり、これは非対角（ｔ）の１を透過の標識として示している。
【００８３】
図１０、図１１、図１２、および図１３でわかるように、マイクロ波デバイス４００は、位相差に応じて開スイッチまたは閉スイッチとなるように制御することができることが認識されるべきである。
【００８４】
次に、波干渉の例示に移ると、マイクロ波スイッチ４００はマルチパス干渉ジョセフソン・スイッチ（ＭＰＩＪＳＷ）である。説明のために、マイクロ波スイッチ４００の（位相に関する）いくつかのマルチパス干渉の例を示す。図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃ、図１４Ｄに、実施形態によるＳ２１の場合の４つの主要経路１、２、３および４をそれぞれ示す。上述のように、Ｓ２１の場合の信号の伝播は、周波数ｆ１の信号がマイクロ波スイッチ４００のポート１からポート２まで伝播することを示している。図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃ、図１４Ｄは、２つの３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２についてのポート１からポート２までの４つの主要経路を示しており、その結果、強め合う干渉が生じる。特に明記されていない限り、３波ミクサ４０２＿１と４０２＿２とは名目上同一である（またはバランスされている）。この場合、ｒ＜１およびｔ＞０であり、これは３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２（ＪＰＣ）がオンであることを意味する。また、ｆ２で伝送線路９０２を（ポートｂ１とｂ２の間を任意の方向に）伝播する信号が受ける位相シフトは
【数７２】
2021500781.tif 000074
であり、ポンプ１とポンプ２の位相差は
【数７３】
2021500781.tif 000075
である。
【００８５】
図１４Ａに、本発明の実施形態によるＳ２１の場合のマイクロ波スイッチ４００の経路１を示す。周波数ｆ１および相対位相０の信号がマイクロ波スイッチ４００のポート１に入力され、この入力を１∠０°と表記する。この表記はその正規化振幅が１であり、相対位相が０°であることを意味する。経路１が図示されている。この経路における相殺的波干渉の結果、式Ｃからわかるようにポート２においてゼロ振幅となる。
【００８６】
図１４Ｂに、本明細書の実施形態によるＳ２１の場合のマイクロ波スイッチ４００の経路２を示す。マイクロ波スイッチ４００のポート１に入力される周波数ｆ１および相対位相０の信号（１∠０°）について、経路２が示されており、この経路の相殺的波干渉の結果、式Ｃからわかるように、この経路（ポート２）ではゼロ振幅伝送信号となる。
【００８７】
図１４Ｃに、本発明の実施形態によるＳ２１の場合のマイクロ波スイッチ４００の経路３を示す。マイクロ波スイッチ４００のポート１に入力される周波数ｆ１および相対位相０（１∠０°）の信号について、経路３が示され、この経路を通るポート２における伝送信号は波干渉によって
【数７４】
2021500781.tif 000076
となる。これは、その正規化振幅が１／２であり、相対位相が０°であることを意味する。
【００８８】
図１４Ｄに、本発明の実施形態によるＳ２１の場合のマイクロ波スイッチ４００の経路４を示す。マイクロ波スイッチ４００のポート１に入力される周波数ｆ１および相対位相０（１∠０°）の信号について、経路４が示され、この経路を通るポート２における伝送信号は波干渉によって
【数７５】
2021500781.tif 000077
となる。これは、その正規化振幅が１／２であり、相対位相が０°であることを意味する。
【００８９】
図１４Ａないし図１４Ｄにおける４つの主要経路間の強め合う干渉は、
【数７６】
2021500781.tif 000078
である。
【数７７】
2021500781.tif 000079
および
【数７８】
2021500781.tif 000080
の場合、Ｓ２１のマルチパス干渉も、
【数７９】
2021500781.tif 000081
を有する式Ｄに示す結果を使用して求めることができ、その結果、振幅は｜−１ｉ｜＝１となる。
【００９０】
次に、マイクロ波スイッチ４００の波干渉の他の例示に移ると、図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃおよび図１５Ｄに、実施形態によるＳ２２の場合の主要経路１、２、３および４をそれぞれ示す。Ｓ２２の場合の信号の伝播は、周波数ｆ１の信号がマイクロ波スイッチ４００のポート２からポート２に伝播することを示している。図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｄは、２つの３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２のためのポート２からポート２への４つの主要経路を示しており、その結果、相殺的干渉が生じる。特に明記されていない限り、３波ミクサ４０２＿１と４０２＿２とは名目上同一である（またはバランスされている）。この場合、ｒ＜１であり、ｔ＞０であり、これは３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２（ＪＰＣ）がオンであることを意味する。また、ｆ２で伝送線路９０２を（ポートｂ１とｂ２の間を任意の方向に）伝播する信号が受ける位相シフトは
【数８０】
2021500781.tif 000082
であり、ポンプ１とポンプ２の位相差は
【数８１】
2021500781.tif 000083
である。
【００９１】
図１５Ａに、本発明の実施形態によるＳ２２の場合のマイクロ波スイッチ４００の経路１を示す。周波数ｆ１および相対位相０の信号がマイクロ波スイッチ４００のポート２に入力され、この入力を１∠０°と表記する。これはその正規化振幅が１であり、相対位相が０°であることを意味する。経路１は図示の通りである。この経路における相殺的波干渉の結果、式Ｃからわかるようにポート２においてゼロ振幅となる。
【００９２】
図１５Ｂに、本明細書の実施形態によるＳ２２の場合のマイクロ波スイッチ４００の経路２を示す。マイクロ波スイッチ４００のポート２に入力される周波数ｆ１および相対位相０の入力信号（１∠０°）について、経路２が示されており、この経路の相殺的波干渉の結果、式Ｃからわかるように、この経路ではポート２においてゼロ振幅リターン信号となる。
【００９３】
図１５Ｃに、本発明の実施形態によるＳ２２の場合のマイクロ波スイッチ４００の経路３を示す。マイクロ波スイッチ４００のポート２に入力される周波数ｆ１および相対位相０（１∠０°）の入力信号について、経路３が示されており、強め合う波干渉の結果、この経路ではポート２において振幅および位相
【数８２】
2021500781.tif 000084
のリターン信号となる。これは、その正規化振幅が１／２であり、相対位相が１８０°であることを意味する。この結果は、上記の式Ｃと、信号がハイブリッドを２回通過し、それによって信号のパワーが２分の１に減衰するという事実とからわかる。
【００９４】
図１５Ｄに、本発明の実施形態によるＳ２２の場合のマイクロ波スイッチ４００の経路４を示す。マイクロ波スイッチ４００のポート２に入力される周波数ｆ１および相対位相０（１∠０°）の信号について、経路４が示され、強め合う波干渉の結果、この経路ではポート２において振幅および位相
【数８３】
2021500781.tif 000085
のリターン信号となる。これは、正規化振幅が１／２であり、相対位相が１８０°であることを意味する。この結果は、上記の式Ｃと、信号がハイブリッドを２回通過し、それによって信号のパワーが２分の１に減衰するという事実とからわかる。
【００９５】
図１５Ａないし図１５Ｄに示す４つの主要経路間の相殺的干渉は
【数８４】
2021500781.tif 000086
である。
【数８５】
2021500781.tif 000087
および
【数８６】
2021500781.tif 000088
の場合、Ｓ２１のマルチパス干渉も
【数８７】
2021500781.tif 000089
を使用して求めることができ、その結果は０である。
【００９６】
なお、（ポンプ信号１およびポンプ信号２を使用するか、または１８０°ハイブリッド結合器を使用して単一のポンプ信号をポンプ信号１と２に分割するかを問わず）ポンプ信号の振幅を使用して、デバイス４００で採用される３波ミクサを動作させ、それらの透過ｔパラメータおよび反射ｒパラメータを設定するが、本発明の実施形態においてスイッチ４００が開モードであるか、閉モードであるか、または可変透過−反射振幅スイッチ・モードで動作するかを決定するのは、ポンプ・ドライブ間の位相差であることに留意されたい。また、３波ミクサ散乱行列は
【数８８】
2021500781.tif 000090
であり、ここで、ｔａｎｈ（ｉθ／２）＝ｉ｜ρ｜であり、ρは無次元ポンプ振幅（０と１の間で変動する）であることに留意されたい。ポンプ振幅ρは、角度θの関数として与えられ、これによって反射パラメータと透過パラメータとが決まる。
【００９７】
マイクロ波スイッチ４００は、以下の条件で５通りの動作モードをサポートする。すなわち、１）ｒ１＝ｒ２＝ｒ、２）｜ｔ１｜＝｜ｔ’１｜＝｜ｔ２｜＝｜ｔ’２｜＝ｔ、３）
【数８９】
2021500781.tif 000091
、４）｜ｒ｜２＋｜ｔ｜２＝１、５）
【数９０】
2021500781.tif 000092
（ただしｋ＝０、±１、±２、．．．）、および６）ハイブリッドおよび結合伝送線路が無損失であることである。図１６に、本発明の実施形態による５通りの動作モードを表１４００で示す。これらのモードは、共振信号のために与えられるモードであるが、デバイス（スイッチ４００）全体の帯域幅と等しい共振周辺の特定の帯域幅にも適用される。５通りの動作モードは、１）スイッチがそのポート間の相反透過で閉じられる、２）スイッチがそのポート間の伝送信号のための非相反位相シフトで閉じられる、３）スイッチがそのポート間の可変透過−反射振幅で閉じられる、４）スイッチが反射率１で開く。最後のモードの場合、反射信号の位相が入射信号の位相と等しい。および、５）スイッチが反射率１で開く。反射信号の位相が入射信号の位相に対して１８０度シフトされる、である。各動作モードの条件は表１４００に記載されている。
【００９８】
図１７に、本発明の実施形態による、（図を単純かつ簡潔にするために）９０°ハイブリッド結合器を図示していない、マイクロ波スイッチ４００の一例を示す。図１８に、本発明の実施形態による、９０°ハイブリッド結合器を図示していない、マイクロ波スイッチ４００の一例を示す。ただし、図示されていないがハイブリッド結合器４０４が接続されていることを理解されたい。３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２のそれぞれが、外側リングに、量子限界でマイクロ波信号の３波混合を行うことができる（４つの）ジョセフソン・トンネル接合１５０６に基づく非線形分散素子であるジョセフソン・リング変調器（ＪＲＭ）１５１０（および任意により（４つの）ジョセフソン・トンネル接合１５０５）を含む。具体的には、ＪＲＭ１５１０は、ホイートストン・ブリッジ構成で配置された４つの名目上同一のジョセフソン接合からなる。
【００９９】
３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２のそれぞれでは、マイクロ波共振器のうちの一方が共振器＿ａ１５０２として図示され、他方が共振器＿ｂ１５０４として図示されている。共振器＿ａ１５０２を、信号共振器と呼ぶことができ、共振器＿ｂ１５０４をアイドラ共振器と呼ぶことができる。共振器１５０２および１５０４は、伝送線路として示されているが、共振器１５０２および１５０４は、集中素子などとして実装することもできる。図１７および図１８では、９０°ハイブリッド結合器４０４がポートａ１およびａ２に接続されることになる。例えば、図１９に、９０°ハイブリッド結合器４０４の一方の脚に接続されたミクサ４０２＿１の信号共振器＿ａ１５０２からのポートａ１と、９０°ハイブリッド結合器４０４の反対側の脚に接続されたミクサ４０２＿２の信号共振器＿ａ１５０２からのポートａ２とを示す。図１９は、ハイブリッド結合器４０４への共振器１５０２の接続を示す、マイクロ波スイッチ４００の部分図のみを示している。
【０１００】
図１７および図１８では、ポートｂ１およびｂ２が互いに接続されている。一実装形態では、本明細書に記載のように間に遅延線路９０２を挿入してもよい。等しい振幅と同じ周波数ｆｐを有するがゼロまたは非ゼロ位相差を有するポンプ信号１および２を３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２に供給する方法は様々ある。一例として、図１７および図１８では、ポンプｐ１およびｐ２を、ＪＲＭ１５１０の２つの隣接するノードに容量結合された短絡結合ストリップ線路の形態のオンチップ磁束線路（例えば磁束線線路１５０８）に供給することができる。このようなポンプ線路は、ポンプ周波数のマイクロ波トーンと、ＪＲＭ１５１０に磁束バイアスをかける直流電流の両方に対応することができる。より高い周波数ｆ１およびｆ２をフィルタ除去するために、ポンプ・ポートと磁束線路１５０８との間にローパス・フィルタ１５１２を結合することができる。ＪＲＭに磁束バイアスをかける別の方法は、ミクサ・パッケージに取り付けられた外部磁気コイルを使用するか、またはオンチップまたはパッケージ内に組み込まれた超小型磁性材料を使用するか、あるいはその両方を使用することである。ポンプ・ドライブを供給する別の方法は、ＪＲＭ１５１０の対向するノードに容量結合するオンチップ３ポート電力分配器を使用することである。また、各共振器＿ａ１５０２および共振器＿ｂ１５０４は２端を有する。図１７に、共振器＿ａ１５０２の一端が開放され、他端がミクサ４０２＿１のポートａ１である点Ｘ１において給電線路に容量結合されている様子を示す。ミクサ４０２＿２も同様に、共振器＿ａ１５０２の一端が開放され、他端がミクサ４０２＿２のポートａ２である点Ｘ２において給電線路に容量結合されている。また、図１７は、共振器＿ｂ１５０４の一端が開放され、他端がミクサ４０２＿１のポートｂ１である点Ｙ１で給電線路に容量結合されている様子を示している。ミクサ４０２＿２も同様に、共振器＿ｂ１５０４の一端が開放され、他端がミクサ４０２＿２のポートａ２である点Ｙ２で給電線路に容量結合されている。共振器＿１５０２の開放されている一端または共振器＿ｂ１５０４の開放されている一端は、弱結合給電線路をこれらの端部のうちの一方に付加することによってポンプ信号を供給するために利用することができる。
【０１０１】
図１７とは異なり、図１８は共振器＿ａ１５０２の一端が、ハイブリッドの１つのポートに接続されているポートａ１（ミクサ４０２＿２ではポートａ２）に容量結合され、他端が、接地に短絡されている給電線路に容量結合されている様子を示す。同様に、共振器＿１１５０４の一端がポートｂ１（ミクサ４０２＿２ではポートｂ２）に容量結合され、他端が、接地に短絡されている給電線路に容量結合されている。接地されている、共振器＿ａ１５０２の給電線路または共振器＿ｂ１５０４の１つの給電線路は、場合によっては接地から切断されてもよく、その代わりにポンプ信号を供給するために利用されてもよい。この場合、ポンプ給電線路と共振器との間の結合容量は、この指定ポンプ給電線路を通した信号漏洩を防ぐのに十分に小さい必要がある。
【０１０２】
図１７および図１８の一実装形態では、ポンプ・ポートｐ１およびｐ２に１８０°ハイブリッド結合器６０２を接続することができ、一方の脚に可変移相器６０４を設けることができる。
【０１０３】
マイクロ波スイッチ４００の回路要素およびマイクロ波スイッチ４００に接続された回路要素は、超伝導材料からなることができる。それぞれの共振器および伝送／供給／ポンプ線路は、超伝導材料からなる。ハイブリッド結合器は、超伝導材料からなることができる。（約１０ミリケルビン（ｍＫ）から１００ｍＫ、または約４Ｋなどの低温での）超伝導材料の例としては、ニオブ、アルミニウム、タンタルなどがある。例えば、ジョセフソン接合は超伝導材料からなり、そのトンネル接合は、酸化膜などの薄いトンネル障壁からなってもよい。キャパシタは、低損失誘電材料によって分離された超伝導材料からなることができる。様々な要素を接続する伝送線路（すなわち配線）は、超伝導材料からなる。
【０１０４】
当業者ならわかるように、マイクロ波スイッチ４００には多くの異なる技術的長所および利点がある。マイクロ波スイッチ４００は、（超伝導／量子用途のために利用される）他のどのようなスイッチよりも多くの機能を有し、これには同相の反射器、相打ち消し反射器、相反透過、非相反透過、および可変透過−反射ビーム・スプリッタが含まれる。マイクロ波スイッチ４００は、無損失であり、エンジニアリング、設計および製造が容易であり、超伝導回路を使用してオンチップで実装またはＰＣＢに組み込むことができる。マイクロ波スイッチ４００は、ＪＰＣ給電線路のインピーダンスを設計し、集中素子ＪＰＣを実装することによって広帯域とすることができる。マイクロ波スイッチ４００は、ハイブリッドおよびＪＰＣの集中素子設計を使用してコンパクトにすることができ、磁束制御または磁束パルスを必要としない。さらに、ｒおよびｔはｒ＝０およびｔ＝１である必要がないため、デバイス４００は長期（主として２つのＪＰＣの直流磁束バイアスによって制限される）にわたってきわめて安定であることができ、調整が容易である。また、ｒおよびｔがｒ＝０およびｔ＝１である必要がないため、デバイス４００は広いダイナミック・レンジ（最大入力パワー）を有することができ、デバイスに供給するポンプ・パワーが比較的小さくて済む（希釈冷凍機内の混合室の加熱がより少ない）。また、名目上同一のＪＰＣ（標準製造能力内にある）を有する以外は、均一性または均質性について厳しい要件がない。マイクロ波スイッチ４００は、２つのポンプ源または１つのアーム上に移相器を備えた１つのポンプ源を必要とする可変透過−反射ビーム・スプリッタ・モードを除いて、すべての動作モードのために１つのポンプを使用することができる。マイクロ波スイッチ４００は、ニオブ（Ｎｂ）接合を使用して形成することができ、４Ｋで動作させることができる。マイクロ波スイッチ４００は、数ナノ秒（ｎｓ）の範囲の高速スイッチング時間（主としてＪＰＣの帯域幅によって制限される）を有し、２０デシベル（ｄＢ）を超える大きなオン／オフ比を有する。
【０１０５】
図２０に、本発明の実施形態によるマイクロ波スイッチ４００を形成／構成する方法のフローチャート１８００を示す。ブロック１８０２で、第１の非縮退デバイス４０２＿１が第１のポートａ１と第２のポートｂ１とを含み、第２の非縮退デバイス４０２＿２が別の第１のポートａ２と別の第２のポートｂ２とを含み、上記第２のポートｂ１が上記別の第２のポートｂ２に結合される。例えば、上記第２のポートｂ１と別の第２のポートｂ２との結合は、例えば、デバイス４０２＿１および４０２＿２におけるアイドラ共振器＿ｂ１５０４のそれぞれの給電線路間の結合も表す／含む。第１の非縮退デバイス４０２＿１と第２の非縮退デバイス４０２＿２とは、マイクロ波ドライブ（ポンプ信号１とポンプ信号２）の位相差
【数９１】
2021500781.tif 000093
を受信するように構成される。
【０１０６】
ブロック１８０４で、第１の入力／出力ポート（ポート１）が上記第１のポートａ１と上記別の第１のポートａ２とに結合される。ブロック１８０６で、第２の入力／出力ポート（ポート２）が上記第１のポートａ１と上記別の第１のポートａ２とに結合され、第１の入力／出力ポート（ポート１）と第２の入力／出力ポート（ポート２）との間の通信（一方向または反対方向あるいはその両方の方向の信号（ｆ１））が、デバイス４００の３波ミクサに供給するポンプ・ドライブ間の位相差
【数９２】
2021500781.tif 000094
に基づく。
【０１０７】
マイクロ波ドライブの位相差
【数９３】
2021500781.tif 000095
は、第１のマイクロ波ドライブ（ポンプ信号１）と第２のマイクロ波ドライブ（ポンプ信号２）の間の位相差である。第１および第２の入力／出力ポート（ポート１および２）はハイブリッド結合器４０４の一部である。上記第１のポートａ１と上記別の第１のポートａ２の機能は相似するように構成される。言い換えると、それぞれ、３波ミクサ４０２＿１および４０２＿２におけるポートａ１とａ２の機能および接続は同一またはほぼ同一である。
【０１０８】
第１の非縮退デバイス４０２＿１または第２の非縮退デバイス４０２＿２に、可変移相器６０４が結合される。可変移相器６０４は、マイクロ波ドライブの位相差
【数９４】
2021500781.tif 000096
を決定する／生じさせるように構成される。
【０１０９】
位相差
【数９５】
2021500781.tif 000097
は、第１の入力／出力ポート（ポート１）と第２の入力／出力ポート（ポート２）とが透過モードであることを決定／制御するように構成される。位相差
【数９６】
2021500781.tif 000098
は、第１の入力／出力ポート（ポート１）と第２の入力／出力ポート（ポート２）とが反射モードであることを決定／制御するように構成される。
【０１１０】
マイクロ波ドライブ間の位相差は、（ポート１とポート２の間の）可変透過−反射を決定するように構成される。可変透過−反射は、第１の入力／出力ポート（ポート１）から第２の入力／出力ポート（ポート２）への透過またはその逆の透過（ｆ１の信号の透過など）が、信号の透過振幅Ｔが０と１との間で変化し、反射パラメータＲが０と１との間で変化するように構成されるようになっている。デバイス全体の反射パラメータＳ１１およびＳ２２とデバイス全体の透過パラメータＳ１２およびＳ２１は、｜Ｓ１１｜＝｜Ｓ２２｜＝Ｒ、｜Ｓ１２｜＝｜Ｓ２１｜＝Ｔ、およびＲ２＋Ｔ２＝１の関係を満たす。また、ＲとＴは両方とも位相差
【数９７】
2021500781.tif 000099
に依存する。
【０１１１】
第１および第２の非縮退デバイス４０２＿１および４０２＿２は、周波数変換モードの非縮退３波ミクサである。
【０１１２】
図２１に、本発明の実施形態による、マイクロ波スイッチ４００を形成／構成する方法のフローチャート１９００を示す。ブロック１９０２で、第１のジョセフソン・パラメトリック変換器４０２＿１が信号ポートａ１とアイドラ・ポートｂ１とを含み、第２のジョセフソン・パラメトリック変換器４０２＿２が別の信号ポートａ２と別のアイドラ・ポートｂ２とを含む。ブロック１９０４で、上記信号ポートａ１が上記別の信号ポートａ２に結合され、第１および第２のジョセフソン・パラメトリック変換器がマイクロ波ドライブ（ポンプ信号１とポンプ信号２）の位相差
【数９８】
2021500781.tif 000100
を受信するように構成される。ブロック１９０６で、第１の入力／出力ポートと第２の入力／出力ポート（ポート１とポート２）との間の通信（例えば周波数ｆ１の信号）が位相差に基づくように、第１の入力／出力ポート（ポート１）と第２の入力／出力ポート（ポート２）とが上記信号ポートａ１と上記別の信号ポートａ２とに結合される。
【０１１３】
第１のジョセフソン・パラメトリック変換器４０２＿１は、上記信号ポートａ１に結合された信号共振器（例えば共振器＿ａ１５０２）を含み、第２のジョセフソン・パラメトリック変換器４０２＿２は、上記別の信号ポートａ２に結合された別の信号共振器（例えば共振器＿ａ１５０２）を含む。第１のジョセフソン・パラメトリック変換器４０２＿１は、上記アイドラ・ポートｂ１に結合されたアイドラ共振器（例えば共振器＿ｂ１５０４）を含み、第２のジョセフソン・パラメトリック変換器４０２＿２は、上記別のアイドラ・ポートｂ２に結合された別のアイドラ共振器（例えば共振器＿ｂ１５０４）を含む。ハイブリッド結合器４０４の１つの脚が上記信号ポートａ１に結合され、ハイブリッド結合器４０４の別の脚が上記別の信号ポートａ２に結合される。
【０１１４】
図２２に、本発明の実施形態による、マイクロ波スイッチ４００を動作させる方法のフローチャート２０００を示す。ブロック２００２で、マイクロ波スイッチ４００が第１の入力／出力ポート（ポート１）と第２の入力／出力ポート（ポート２）のうちの一方で信号（ｆ１）を受信する。ブロック２００４で、マイクロ波スイッチ４００は、位相差
【数９９】
2021500781.tif 000101
を有するポンプ信号（ポンプ信号１および２）を受信する。ブロック２００６で、この位相差に基づいて、第１の入力／出力ポート（ポート１）と第２の入力／出力ポート（ポート２）との間の信号の（ポート１からポート２またはポート２からポート１あるいはその両方の）通信が制御される。
【０１１５】
本明細書では本発明の様々な実施形態について関連する図面を参照しながら説明している。本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態も考案することができる。以下の説明および図面では、要素間の様々な接続および位置関係（例えば，上、下、隣接など）が記載されているが、当業者は、本明細書に記載の位置関係の多くは、向きが変更されても記載されている機能が維持される場合、向きには依存しないことを理解するだろう。これらの接続または位置関係あるいはその両方は、特に明記されていない限り、直接的または間接的とすることができ、本発明はこの点に関して限定的であることが意図されていない。したがって、実体の結合は、直接結合または間接結合を指す場合があり、実体間の位置関係は、直接的位置関係または間接的位置関係であり得る。間接的位置関係の一例として、本明細書で層「Ｂ」の上に層「Ａ」を形成すると言う場合、層「Ａ」と層「Ｂ」の関連する特性および機能が介在層によって実質的に変更されない限り、層「Ａ」と層「Ｂ」との間に１つまたは複数の介在層（例えば層「Ｃ」）がある状況を含む。
【０１１６】
特許請求の範囲および本明細書の解釈のために以下の定義および略語を使用するものとする。本明細書で使用する「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有している（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有している（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」、または「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」という用語またはこれらの任意のその他の変形は、非排他的包含を含むことが意図されている。例えば、列挙されている要素を含む組成物、混合物、プロセス、方法、物、または装置は、必ずしもそれらの要素のみには限定されず、明示的に記載されていないかまたはそのような組成物、混合物、プロセス、方法、物または装置に固有の他の要素を含み得る。
【０１１７】
さらに、本明細書では「例示の」という用語を使用して、「例、事例または例示となる」ことを意味する。「例示の」として本明細書に記載されているいずれの実施形態または設計も、必ずしも他の実施形態または設計よりも好ましいかまたは有利であるものと解釈されるべきではない。「少なくとも１つの」および「１つまたは複数の」という用語は、１以上の任意の整数、すなわち１、２、３、４などを含むものと理解される。「複数の」という用語は、２以上の任意の整数、すなわち、２、３、４、５などを含むものと理解される。「接続」という用語は、間接的な「接続」と直接的な「接続」とを含み得る。
【０１１８】
本明細書で「一実施形態」「ある実施形態」、「例示の実施形態」などと言う場合、それは、記載されているその実施形態が、特定の特徴、構造または特性を含み得るが、すべての実施形態がその特定の特徴、構造または特性を備えていてもいなくてもよいことを示している。また、そのような語句は必ずしも同じ実施形態を指していない。さらに、ある実施形態に関連して特定の特徴、構造または特性が記載されている場合、明示的に記載されているか否かを問わず、そのような特徴、構造または特性を他の実施形態に関連して備えることが他の当業者の知識の範囲内にあるものと認められる。
【０１１９】
「約」、「実質的に」、「ほぼ」という用語およびこれらの変形は、本出願の出願の時点で利用可能な装置に基づく特定の数量の測定に付随する程度の誤差を含むことが意図されている。例えば、「約」は、記載されている値の±８％または５％、または２％の範囲を含み得る。
【０１２０】
本明細書で前述したように、簡潔にするために、超伝導デバイスおよび集積回路（ＩＣ）製造に関する従来の技術については本明細書では詳細に説明している場合もしていない場合もある。しかし、背景技術として、本発明の１つまたは複数の実施形態を実装する際に利用可能な超伝導デバイス製造プロセスのより一般的な説明を以下に示す。本発明の１つまたは複数の実施形態を実装する際に使用される特定の製造作業は、個々には知られている場合があるが、本発明の作業またはその結果の構造あるいはその両方の、記載されている組み合わせは固有のものである。したがって、本発明による半導体デバイスの製造に関連して説明する作業の固有の組み合わせは、誘電体（例えばシリコン）基板上の超伝導デバイスに対して行われる、個々に知られている様々な物理的および化学的プロセスを使用し、それらの一部について以下の各段落で説明する。
【０１２１】
一般に、ＩＣにパッケージ化されるマイクロチップを形成するために使用される様々なプロセスは、膜付着と、除去／エッチングと、パターン形成／リソグラフィとを含む大まかなカテゴリに分類される。付着は、ウエハ上に材料を成長、コーティング、またはその他の方法で移す任意のプロセスである。利用可能な技術としては、物理気相付着（ＰＶＤ）、化学気付着（ＣＶＤ）、電気化学付着（ＥＣＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、および最近では原子層堆積（ＡＬＤ）などがある。除去／エッチングは、ウエハから材料を除去する任意のプロセスである。例としては、エッチング・プロセス（ウェットまたはドライ）および化学機械平坦化（ＣＭＰ）などがある。導体（例えばポリシリコン、アルミニウム、銅など）と絶縁体（例えば様々な形態の二酸化シリコン、シリコン窒化物など）の両方の膜を使用して、構成要素が接続および分離される。リソグラフィは、後でパターンを基板に転写するための、半導体基板上での３次元レリーフ・イメージまたはパターンの形成である。リソグラフィでは、フォトレジストと呼ばれる感光性ポリマーによってパターンが形成される。回路の複雑な構造を作製するために、リソグラフィ工程とエッチ・パターン転写工程とが複数回繰り返される。ウエハ上にプリントされる各パターンは、その前に形成されたパターンと位置合わせされ、導体、絶縁体およびその他の領域が徐々に構築されて最終的なデバイスを形成する。
【０１２２】
図面中のフローチャートおよびブロック図は、本発明の様々な実施形態による製造または動作方法あるいはその両方の可能な実装形態を示す。方法の様々な機能／動作が流れ図にブロックで表されている。代替実装形態によっては、ブロックに記載されている機能は、図に記載されている順序とは異なる順序で行われてもよい。例えば、連続して示されている２つのブロックは、関与する機能に応じて、実際には実質的に並行して実行されてよく、またはそれらのブロックは場合によっては逆の順序で実行されてもよい。
【０１２３】
例示のために本発明の様々な実施形態に関する説明を示したが、網羅的であること、または本明細書に記載の実施形態に限定することを意図したものではない。記載されている実施形態の範囲および思想から逸脱することなく、当業者には多くの変更および変形が明らかであろう。本明細書で使用されている用語は、実施形態の原理、実際の適用、または市場にある技術に優る技術的改良を最もよく説明するため、または当業者が本明細書に記載の実施形態を理解することができるようにするために選択されている。
【符号の説明】
【０１２４】
１００，４００  ２ポート・マイクロ波スイッチ
４０２＿１，４０２＿２  非縮退ジョセフソン３波混合ミクサ
４０４  ９０°ハイブリッド結合器
６０２  １８０°ハイブリッド結合器
６０４  可変移相器
９０２  遅延線路
【図１】
2021500781.tif 000102
【図２】
2021500781.tif 000103
【図３】
2021500781.tif 000104
【図４】
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【図５】
2021500781.tif 000106
【図６】
2021500781.tif 000107
【図７】
2021500781.tif 000108
【図８】
2021500781.tif 000109
【図９】
2021500781.tif 000110
【図１０】
2021500781.tif 000111
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2021500781.tif 000116
【図１６】
2021500781.tif 000117
【図１７】
2021500781.tif 000118
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月22日(2020.4.22)
【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】
マイクロ波スイッチであって、
第１のポートと第２のポートとを含む第１の非縮退デバイスと、
別の第１のポートと別の第２のポートとを含む第２の非縮退デバイスであって、前記第２のポートが前記別の第２のポートに結合された、前記第２の非縮退デバイスとを含み、
前記第１の非縮退デバイスと前記第２の非縮退デバイスとはマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成され、
前記マイクロ波スイッチはさらに、
前記第１のポートと前記別の第１のポートとに結合された第１の入力／出力ポートと、
前記第１のポートと前記別の第１のポートとに結合された第２の入力／出力ポートとを含み、
前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとの間の通信が前記位相差に基づくマイクロ波スイッチ。
【請求項２】
前記マイクロ波ドライブの前記位相差は、第１のマイクロ波ドライブと第２のマイクロ波ドライブとの位相差である、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項３】
前記第１および第２の入力／出力ポートはハイブリッド結合器の一部であり、
前記第１のポートと前記別の第１のポートの機能が、前記第１の非縮退デバイスと前記第２の非縮退デバイスとにおいてそれぞれ同等であるように構成された、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項４】
前記第１の非縮退デバイスまたは前記第２の非縮退デバイスに可変移相器が結合された、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項５】
前記可変移相器は、前記マイクロ波ドライブの前記位相差を決定するように構成されている、請求項４に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項６】
前記位相差は、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとが透過モードであることを決定するように構成されている、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項７】
前記位相差は、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとが反射モードであることを決定するように構成されている、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項８】
前記マイクロ波ドライブ間の前記位相差は、可変透過−反射モードを決定するように構成されている、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項９】
前記第１および第２の非縮退デバイスは、周波数変換モードで動作させられる非縮退３波ミクサである、請求項１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項１０】
マイクロ波スイッチを構成する方法であって、
第１のポートと第２のポートとを含む第１の非縮退デバイスと、別の第１のポートと別の第２のポートとを含む第２の非縮退デバイスとを設けることであって、前記第２のポートが前記別の第２のポートに結合され、前記第１の非縮退デバイスと前記第２の非縮退デバイスとがマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成される、前記第１の非縮退デバイスと前記第２の非縮退デバイスとを設けることと、
前記第１のポートと前記別の第１のポートとに第１の入力／出力ポートを結合することと、
前記第１のポートと前記別の第１のポートとに第２の入力／出力ポートを結合することとを含み、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとの間の通信が前記位相差に基づく方法。
【請求項１１】
前記第１の非縮退デバイスは、信号ポートとアイドラ・ポートとを含む第１のジョセフソン・パラメトリック変換器であり、
前記第２の非縮退デバイスは、別の信号ポートと別のアイドラ・ポートとを含む第２のジョセフソン・パラメトリック変換器であり、前記信号ポートと前記別の信号ポートとが互いに結合され、前記第１のジョセフソン・パラメトリック変換器と前記第２のジョセフソン・パラメトリック変換器とがマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成され、
前記信号ポートと前記別の信号ポートとの間の通信が前記位相差に基づくように、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとが前記信号ポートと前記別の信号ポートとに結合された、請求項１ないし９のいずれかに記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項１２】
前記第１のジョセフソン・パラメトリック変換器は、前記信号ポートに結合された信号共振器を含み、前記第２のジョセフソン・パラメトリック変換器は、前記別の信号ポートに結合された別の信号共振器を含む、請求項１１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項１３】
前記第１のジョセフソン・パラメトリック変換器は前記アイドラ・ポートに結合されたアイドラ共振器を含み、前記第２のジョセフソン・パラメトリック変換器は前記別のアイドラ・ポートに結合された別のアイドラ共振器を含む、請求項１１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項１４】
ハイブリッド結合器の１つの脚が前記信号ポートに結合され、前記ハイブリッド結合器の別の脚が前記別の信号ポートに結合された、請求項１１に記載のマイクロ波スイッチ。
【請求項１５】
前記第１の非縮退デバイスは、信号ポートとアイドラ・ポートとを含む第１のジョセフソン・パラメトリック変換器であり、前記第２の縮退デバイスは、別の信号ポートと別のアイドラ・ポートとを含む第２のジョセフソン・パラメトリック変換器であり、
前記方法は、
前記第１および第２のジョセフソン・パラメトリック変換器がマイクロ波ドライブの位相差を受信するように構成される、前記信号ポートを前記別の信号ポートに結合することと、
前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとの間の通信が前記位相差に基づくように、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとを前記信号ポートと前記別の信号ポートとに結合することとを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
マイクロ波スイッチを動作させる方法であって、
前記マイクロ波スイッチによって、第１の入力／出力ポートと第２の入力／出力ポートとのうちのいずれか一方において信号を受信することと、
前記マイクロ波スイッチによって、位相差を有するポンプ信号を受信することと、
前記位相差に基づいて、前記第１の入力／出力ポートと前記第２の入力／出力ポートとの間の前記信号の通信を制御することとを含む方法。
【国際調査報告】
2021500781.tif 000124
2021500781.tif 000125