(57)【要約】【課題】量子コンピューティングの応用分野にとってより有用な新規なアイソレータ設計を提供する。【解決手段】マイクロ波アイソレータ・デバイスが２つの非縮退マイクロ波ミクサ・デバイスを含み、各ミクサが第１のポートを通って入力周波数のマイクロ波入力を受信し、第２のポートでアイドラ周波数のアイドラ信号を生じさせるように構成される。両方のミクサの第２のポートが互いに結合される。第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートが２つのミクサの第１のポートに結合され、第２のＩ／Ｏポートも２つのミクサの第１のポートに結合される。第１のＩ／Ｏポートと第２のＩ／Ｏポートとの間で伝達されるマイクロ波信号（信号）が、第１のミクサと第２のミクサとを通って第１のＩ／Ｏポートから第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向で伝播するときに伝送され、第１のミクサと第２のミクサとを通って第２のＩ／Ｏポートから第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝播するときにブロックされることになる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波アイソレータ・デバイスであって、
第１のポートと第２のポートとを有し、第１のポートを介して入力周波数のマイクロ波入力を受信するように構成され、第２のポートでアイドラ周波数のアイドラ信号を生じさせるようにさらに構成された第１の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第１のミクサ）と、
異なる第１のポートと異なる第２のポートとを有し、異なる第１のポートを介して前記入力周波数の前記マイクロ波入力を受信し、異なる第２のポートで前記アイドラ周波数の前記アイドラ信号を生じさせるように構成された第２の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第２のミクサ）と、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに結合された第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートと、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに結合された第２のＩ／Ｏポートとを含み、前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートとの間で伝達されるマイクロ波信号（信号）が、前記第１のミクサと前記第２のミクサとを通って前記第１のＩ／Ｏポートから前記第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向に伝播するときに伝送され、前記第１のミクサと前記第２のミクサとを通って前記第２のＩ／Ｏポートから前記第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝播するときにブロックされることになる、マイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項２】
前記第１のミクサに第１のマイクロ波ドライブをポンプ周波数および第１のポンプ位相で送り込む第１のマイクロ波ポンプであって、前記第２のポートにおける前記アイドラ信号の前記アイドラ周波数が前記ポンプ周波数と前記入力周波数とに依存する、前記第１のマイクロ波ポンプと、
前記第２のミクサに第２のマイクロ波ドライブを前記ポンプ周波数および第２のポンプ位相で送り込む第２のマイクロ波ポンプであって、前記異なる第２のポートにおける前記アイドラ信号の前記アイドラ周波数が前記ポンプ周波数と前記入力周波数とに依存する、前記第２のマイクロ波ポンプとをさらに含む、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス
【請求項３】
前記第１のマイクロ波ポンプは、前記第１のミクサを５０：５０ビーム分割動作点で動作させるように構成され、前記第２のマイクロ波ポンプは、前記第２のミクサを前記５０：５０ビーム分割動作点で動作させるように構成された、請求項２に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項４】
前記第１のポンプ位相と前記第２のポンプ位相との間の位相差を変更することにより、前記信号を、前記第２の方向に伝播するときに伝送させ、第１の方向に伝播するときにブロックさせる、請求項２に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項５】
４ポート・マイクロ波ハイブリッド・デバイス（ポンプ・ハイブリッド）と、
前記ポンプ・ハイブリッドの第１の出力ポートが前記第１のミクサにポンプ周波数および第１のポンプ位相で第１のマイクロ波ドライブを送り込み、前記ポンプ・ハイブリッドの第２の出力ポートが前記第２のミクサに前記ポンプ周波数および第２のポンプ位相で第２のマイクロ波ドライブを送り込むように、前記ポンプ・ハイブリッドに結合されたマイクロ波ポンプとをさらに含み、前記ポンプ・ハイブリッドは前記第１のマイクロ波ドライブと前記第２のマイクロ波ドライブとの間の相対位相を±９０度に固定する、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項６】
前記第２のポートと前記異なる第２のポートとが伝送線路を介して結合され、前記伝送線路は無視可能なエネルギー損失を有する、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項７】
前記第２のポートと前記異なる第２のポートとが結合構成要素を使用して互いに結合され、前記結合構成要素は前記第１のミクサと前記第２のミクサとの間を伝播される信号の減衰をもたらす、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項８】
前記第１のミクサの前記第２のポートが第１の供給線路と第２の供給線路とを含み、前記第２のミクサの前記異なる第２のポートが異なる第１の供給線路と異なる第２の供給線路とを含み、前記第２の供給線路と前記異なる第２の供給線路とが伝送線路を介して結合され、前記伝送線路は無視可能なエネルギー損失を有し、
前記第１の供給線路は５０オーム終端に結合され、
前記異なる第１の供給線路は異なる５０オーム終端に結合された、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項９】
前記第１および第２のＩ／Ｏポートは９０度ハイブリッド結合器の一部であり、前記第１のポートと前記異なる第１のポートの機能が前記第１のミクサと前記第２のミクサとで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アイソレータ・デバイス。
【請求項１０】
前記第１のミクサと前記第２のミクサはそれぞれ非縮退３波ミクサである、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項１１】
前記第１のミクサと前記第２のミクサはそれぞれジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ）であり、前記第１のミクサと前記第２のミクサとは名目上同一である、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項１２】
マイクロ波アイソレータ・デバイスを形成する方法であって、
第１のポートと第２のポートとを有する第１の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第１のミクサ）を構成することであって、前記第１のミクサは第１のポートを介して入力周波数のマイクロ波入力を受信するように構成され、第２のポートでアイドラ周波数のアイドラ信号を生じさせるようにさらに構成される、前記第１のミクサを構成することと、
異なる第１のポートと異なる第２のポートとを有する第２の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第２のミクサ）を構成することであって、前記第２のミクサは異なる第１のポートを介して前記入力周波数の前記マイクロ波入力を受信し、異なる第２のポートで前記アイドラ周波数の前記アイドラ信号を生じさせるように構成される、前記第２のミクサを構成することと、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートを結合することと、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに第２のＩ／Ｏポートを結合することとを含み、前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートとの間で伝達されるマイクロ波信号（信号）が、前記第１のミクサと前記第２のミクサとを通って前記第１のＩ／Ｏポートから前記第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向に伝播するときに伝送され、前記第１のミクサと前記第２のミクサとを通って前記第２のＩ／Ｏポートから前記第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝播するときにブロックされることになる、方法。
【請求項１３】
第１のマイクロ波ポンプから、前記第１のミクサにポンプ周波数および第１のポンプ位相で第１のマイクロ波ドライブを送り込むことであって、前記第２のポートにおける前記アイドラ信号の前記アイドラ周波数が前記ポンプ周波数と前記入力周波数とに依存する、前記第１のマイクロ波ドライブを送り込むことと、
第２のマイクロ波ポンプから、前記第２のミクサに前記ポンプ周波数および第２のポンプ位相で第２のマイクロ波ドライブを送り込むことであって、前記第２のポートにおける前記アイドラ信号の前記アイドラ周波数が前記ポンプ周波数と前記入力周波数とに依存する、前記第２のマイクロ波ドライブを送り込むこととをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のマイクロ波ポンプは、前記第１のミクサを５０：５０ビーム分割動作点で動作させるように構成され、前記第２のマイクロ波ポンプは、前記第２のミクサを前記５０：５０ビーム分割動作点で動作させるように構成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のポンプ位相と前記第２のポンプ位相との間の位相差を変更することにより、前記信号を、前記第２の方向に伝播するときに伝送させ、第１の方向に伝播するときにブロックさせる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
４ポート・マイクロ波ハイブリッド・デバイス（ポンプ・ハイブリッド）を、前記ポンプ・ハイブリッドの第１の出力ポートが前記第１のミクサにポンプ周波数および第１のポンプ位相で第１のマイクロ波ドライブを送り込み、前記ポンプ・ハイブリッドの第２の出力ポートが前記第２のミクサに前記ポンプ周波数および第２のポンプ位相で第２のマイクロ波ドライブを送り込むようにマイクロ波ポンプに結合することをさらに含み、前記ポンプ・ハイブリッドは前記第１のマイクロ波ドライブと前記第２のマイクロ波ドライブとの間の相対位相を±９０度に固定する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２のポートと前記異なる第２のポートとが伝送線路を介して結合され、前記伝送線路は無視可能なエネルギー損失を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２のポートと前記異なる第２のポートとが結合構成要素を使用して互いに結合され、前記結合構成要素は前記第１のミクサと前記第２のミクサとの間を伝播される信号の減衰をもたらす、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のミクサの前記第２のポートが第１の供給線路と第２の供給線路とを含み、
前記第２のミクサの前記異なる第２のポートが異なる第１の供給線路と異なる第２の供給線路とを含み、
前記第２の供給線路と前記異なる第２の供給線路とが伝送線路を介して結合され、前記伝送線路は無視可能なエネルギー損失を有し、
前記第１の供給線路は５０オーム終端に結合され、
前記異なる第１の供給線路は異なる５０オーム終端に結合される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１および第２のＩ／Ｏポートは９０度ハイブリッド結合器の一部であり、前記第１のポートと前記異なる第１のポートの機能が前記第１のミクサと前記第２のミクサとで同等であるように構成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１のミクサと前記第２のミクサはそれぞれ非縮退３波ミクサである、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のミクサと前記第２のミクサはそれぞれジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ）であり、前記第１のミクサと前記第２のミクサとは名目上同一である、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
超伝導体製造システムであって、マイクロ波アイソレータ・デバイスを製造するように動作させると、
第１のポートと第２のポートとを有する第１の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第１のミクサ）を構成することであって、前記第１のミクサは第１のポートを介して入力周波数のマイクロ波入力を受信するように構成され、第２のポートでアイドラ周波数のアイドラ信号を生じさせるようにさらに構成される、前記第１のミクサを構成することと、
異なる第１のポートと異なる第２のポートとを有する第２の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第２のミクサ）を構成することであって、前記第２のミクサは異なる第１のポートを介して前記入力周波数の前記マイクロ波入力を受信し、異なる第２のポートで前記アイドラ周波数の前記アイドラ信号を生じさせるように構成される、前記第２のミクサを構成することと、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートを結合することと、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに第２のＩ／Ｏポートを結合することであって、前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートとの間で伝達されるマイクロ波信号（信号）が、前記第１のミクサと前記第２のミクサを通って前記第１のＩ／Ｏポートから前記第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向に伝播するときに伝送され、前記第１のミクサと前記第２のミクサとを通って前記第２のＩ／Ｏポートから前記第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝播するときにブロックされることになる、前記第２のＩ／Ｏポートを結合することとを含む動作を実行する、超伝導体製造システム。
【請求項２４】
第１のマイクロ波ポンプから、前記第１のミクサにポンプ周波数および第１のポンプ位相で第１のマイクロ波ドライブを送り込むことであって、前記第２のポートにおける前記アイドラ信号の前記アイドラ周波数が前記ポンプ周波数と前記入力周波数とに依存する、前記第１のマイクロ波ドライブを送り込むことと、
第２のマイクロ波ポンプから、前記第２のミクサに前記ポンプ周波数および第２のポンプ位相で第２のマイクロ波ドライブを送り込むことであって、前記第２のポートにおける前記アイドラ信号の前記アイドラ周波数が前記ポンプ周波数と前記入力周波数とに依存する、前記第２のマイクロ波ドライブを送り込むこととをさらに含む、請求項２３に記載の超伝導体製造システム。
【請求項２５】
前記第１のマイクロ波ポンプは、前記第１のミクサを５０：５０ビーム分割動作点で動作させるように構成され、前記第２のマイクロ波ポンプは、前記第２のミクサを前記５０：５０ビーム分割動作点で動作させるように構成された、請求項２４に記載の超伝導体製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般には、量子コンピューティングにおいて超伝導量子ビットとともに使用可能なマイクロ波光アイソレータのためのデバイス、製造方法、および製造システムに関する。より詳細には、本発明は、非縮退３波混合ジョセフソン・デバイスに基づくマルチパス干渉ジョセフソン・アイソレータのためのデバイス、方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下で、語句の「Ｑ」という頭字は、その語が使用されている個所で明示的に区別されていない限り、量子コンピューティングの文脈でのその語または句への言及を示す。
【０００３】
分子および素粒子は、物質界が最も基本的なレベルでどのように動作するかを探求する物理学の一分野である量子力学の法則に従う。このレベルでは、粒子は奇妙な挙動をし、同時に複数の状態をとり、きわめて遠隔にある他の粒子と相互作用する。量子コンピューティングは、このような量子現象を利用して情報を処理する。
【０００４】
現在、我々が使用しているコンピュータは古典コンピュータと呼ばれる（本明細書では「従来型」コンピュータまたは従来型ノード、または「ＣＮ」とも呼ぶ）。従来型コンピュータは、フォン・ノイマン・アーキテクチャと呼ばれるアーキテクチャにおいて、半導体物質および技術を使用して製造された従来型プロセッサと、半導体メモリと、磁気またはソリッド・ステート・ストレージ・デバイスとを使用する。具体的には、従来型コンピュータにおけるプロセッサは、バイナリ・プロセッサ、すなわち、１と０で表されたバイナリ・データで動作する。
【０００５】
量子プロセッサ（ｑプロセッサ）は、エンタングル量子ビット・デバイス（本明細書では簡単に「量子ビット」と称する）の奇妙な性質を使用して計算タスクを行う。量子力学が機能する特定の領域では、物質の粒子は、「オン」状態、「オフ」状態、および同時に「オン」と「オフ」の両方の状態など、複数の状態で存在することができる。半導体プロセッサを使用するバイナリ・コンピューティングがオン状態とオフ状態（バイナリ・コードの１と０に相当する）のみの使用に限定されるのに対し、量子プロセッサは物質のこれらの量子状態を利用して、データ・コンピューティングで使用可能な信号を出力する。
【０００６】
従来型コンピュータは、ビット単位で情報をコード化する。各ビットは１または０の値をとることができる。これらの１と０は、コンピュータ機能を最終的に駆動するオン／オフ・スイッチとして機能する。一方、量子コンピュータは、量子物理学の２つの重要な原理である、重ね合わせとエンタングルメントに従って動作する量子ビットに基づく。重ね合わせとは、各量子ビットが同時に１と０の両方を表すことができることを意味する。エンタングルメントとは、重ね合わせ状態の量子ビットが非古典的な方式で互いに相関することができること、すなわち、１つの量子ビットの状態（１であるか０であるかまたは両方であるか）が、別の量子ビットの状態に依存し得ることと、２つの量子ビットが個別に扱われる場合よりも２つの量子ビットがエンタングルされた状態の場合の方が、２つの量子ビットに関する把握可能な情報量が多いこととを意味する。この２つの原理を使用して、量子ビットは情報のより高度なプロセッサとして動作し、それによって量子コンピュータを、従来型コンピュータを使用して解くのが困難な難しい問題を解くことができるように機能させることができる。ＩＢＭは、超伝導量子ビットを使用する量子プロセッサを構築し、その動作可能性を証明することに成功している（ＩＢＭは、米国およびその他の国々におけるインターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションの登録商標である）。
【０００７】
超伝導量子ビットはジョセフソン接合を含む。ジョセフソン接合は、非超伝導物質によって２つの薄膜超伝導金属層を分離することによって形成される。超伝導層内の金属が、例えばその金属の温度を所定の極低温度まで下げることによって超伝導になるようにすると、電子の対が一方の超伝導層から非超伝導層を通って他方の超伝導層にトンネルすることができる。量子ビットでは、分散非線形インダクタとして機能するジョセフソン接合が、非線形マイクロ波発振器を形成する１つまたは複数の容量性素子と並列に電気的に結合される。この発振器は、量子ビット回路のインダクタンスの値とキャパシタンスとによって決まる共振／遷移周波数を有する。「量子ビット」という用語に言及する場合、その用語が使用されている個所で明示的に区別されていない限り、ジョセフソン接合を採用する超伝導量子ビット回路を指す。
【０００８】
量子ビットによって処理される情報は、マイクロ波周波数の範囲のマイクロ波信号／光子の形態で搬送または伝送される。マイクロ波信号は、捕捉され、処理され、分析されてマイクロ波信号内にコード化されている量子情報を解読する。読み出し回路は、量子ビットの量子状態を捕捉し、読み出し、測定するために量子ビットに結合される回路である。読み出し回路の出力は、計算を行うためにｑプロセッサによって使用可能な情報である。
【０００９】
超伝導量子ビットは２つの量子状態、すなわち｜０＞と｜１＞とを有する。この２つの状態は、原子の２つのエネルギー状態、例えば超伝導人工原子（超伝導量子ビット）の基底状態（｜ｇ＞）と第１励起状態（｜ｅ＞）であってもよい。他の例としては、核スピンまたは電子スピンのスピンアップとスピンダウン、結晶欠陥の２つの位置、および量子ドットの２つの状態がある。システムが量子的性質を有するため、２つの状態の任意の組合せが可能であり、有効である。
【００１０】
量子ビットを使用する量子コンピューティングが信頼性が高くあるためには、量子回路、例えば量子ビット自体と、量子ビットに付随する読み出し回路と、量子プロセッサのその他の部分とが、有意な方式でエネルギーを注入または散逸させるなどによって量子ビットのエネルギー状態を変更したり、量子ビットの｜０＞状態と｜１＞状態との間の相対位相に影響を与えたりしてはならない。量子情報により動作する回路のこの動作上の制約により、このような回路で使用される半導体構造および超伝導構造の製造の際には特別な考慮が必要となる。
【００１１】
マイクロ波アイソレータは、一方で有意な振幅減衰なしにマイクロ波光波を通過させ、マイクロ波光波が反対方向に通過しようとするとマイクロ波光波を通過させないかまたは大幅に減衰させるデバイスである。本明細書で「アイソレータ」という場合、マイクロ波アイソレータを指す。
【００１２】
言い換えると、アイソレータはマイクロ波光ゲートとして動作し、デバイスの反応はマイクロ波光がデバイスを通過する方向に依存する。
【００１３】
量子コンピューティングでは、アイソレータはマイクロ波信号を特定の流れの方向で、量子プロセッサ内に誘導し、量子プロセッサ外へ誘導するために使用される。例示の実施形態は、現在使用されている市販の極低温アイソレータには、量子コンピューティングにおける適用可能性と有用性を大幅に制限する重大な問題があることを認識している。例えば、市販の極低温アイソレータは、サイズが大きく、重量が重く、熱化が難しく、オンチップ製造／集積が難しいフェライトを使用し、超伝導回路に悪影響を及ぼす可能性のある磁石を組み込んでいる。いくつか例を挙げると、現在市販されている極低温アイソレータのサイズは８．５センチメートル（ｃｍ）×３．１ｃｍ×１．７ｃｍ＝４５ｃｍ３であり、アイソレータの重量は２２９．５グラム（ｇ）ある。アイソレータを熱化するために使用される銅ブラケットの重量は１８３．１ｇである。現在市販されている極低温サーキュレータのサイズは、４．５ｃｍ×３．５ｃｍ×１．８ｃｍであり、重量は４１．２ｇである。
【００１４】
１つの量子ビット共振器と、反射で動作する１つの量子限界ジョセフソン・パラメトリック増幅器（ジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ）など）とを接続する標準的な１入力１出力線構成は、２つのサーキュレータと３つのアイソレータ（２つは、出力チェーンを戻る雑音から量子ビットを保護するためにジョセフソン・パラメトリック増幅器の後段にある）を使用する。この構成は、（サーキュレータとアイソレータだけで）少なくとも１９１．１ｃｍ３の体積を占め、少なくとも１．５ｋｇの重量がある。この体積の計算値は、熱化に使用される銅ブラケットを計算に入れていない。
【００１５】
これらは、量子ビットにおけるナノメータ・スケールのジョセフソン接合と比較して大きなサイズおよび重量である。明らかに、現在市販されているアイソレータおよびサーキュレータは、半導体チップ上での製造には適さない。組み込まれた磁石に起因する磁束は、磁束調整可能量子ビットなどの特定の超伝導量子システムに磁束バイアスをかけるために使用される場合がある磁束のフェムトテスラ（１０−１５Ｔ）レベルと比較して強すぎる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
例示の実施形態は、量子コンピューティングの応用分野にとってより有用な新規なアイソレータ設計が必要とされていることを認識している。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
例示の実施形態は、超伝導デバイスおよびその製造方法および製造システムを提供する。一実施形態の超伝導デバイスは、第１のポートと第２のポートとを有する第１の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第１のミクサ）を含み、第１のミクサは、第１のポートを介して入力周波数のマイクロ波入力を受信するように構成され、第２のポートでアイドラ周波数のアイドラ信号を生じさせるようにさらに構成される。この実施形態は、異なる第１のポートと異なる第２のポートとを有する第２の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第２のミクサ）を含み、第２のミクサは、入力周波数のマイクロ波入力を異なる第１のポートを介して受信し、異なる第２のポートにおけるアイドラ周波数のアイドラ信号を生じさせるように構成され、上記第２のポートは上記異なる第２のポートに結合されている。この実施形態は、上記第１のポートと上記異なる第１のポートとに結合された第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートを含む。この実施形態は、上記第１のポートと上記異なる第１のポートとに結合された第２のＩ／Ｏポートを含み、上記第１のＩ／Ｏポートと上記第２のＩ／Ｏポートとの間で伝達されるマイクロ波信号（信号）が、上記第１のミクサおよび上記第２のミクサを通って上記第１のＩ／Ｏポートから上記第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向に伝播するときに伝送され、上記第１のミクサと上記第２のミクサとを通って第２のＩ／Ｏポートから第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝播するときにはブロックされる。したがって、この実施形態は、従来技術のアイソレータと比較して大幅にコンパクトで、超伝導量子回路における他の量子デバイスとともに製造可能なマイクロ波アイソレータ・デバイスを提供する。
【００１８】
一実施形態は、上記第１のミクサに第１のマイクロ波ドライブをポンプ周波数および第１のポンプ位相で送り込む第１のマイクロ波ポンプをさらに含み、上記第２のポートにおける上記アイドラ信号のアイドラ周波数が上記ポンプ周波数と上記入力周波数とに依存する。この実施形態は、上記第２のミクサに第２のマイクロ波ドライブを上記ポンプ周波数および第２のポンプ位相で送り込む第２のマイクロ波ポンプを含み、上記異なる第２のポートにおける上記アイドラ信号のアイドラ周波数が上記ポンプ周波数と上記入力周波数とに依存する。したがって、この実施形態はミクサへのマイクロ波ドライブ送り込みを行う特定の構成を提供する。
【００１９】
別の実施形態では、上記第１のマイクロ波ポンプが、上記第１のミクサを５０：５０ビーム分割動作点で動作させるように構成され、上記第２のマイクロ波ポンプが上記第２のミクサを５０：５０ビーム分割動作点で動作させるように構成される。したがって、この実施形態は、ミクサを動作させる特定のモードを提供する。
【００２０】
別の実施形態では、上記第１のポンプ位相と上記第２のポンプ位相との位相差を変更することにより、上記信号を、第２の方向に伝播するときに伝送させ、第１の方向に伝播するときにブロックさせる。したがって、この実施形態は、アイソレータを伝播する信号の方向を制御する方式を提供する。
【００２１】
別の実施形態は、４ポート・マイクロ波ハイブリッド・デバイス（ポンプ・ハイブリッド）をさらに含む。この実施形態は、上記ポンプ・ハイブリッドの第１の出力ポートが上記第１のミクサに第１のマイクロ波ドライブをポンプ周波数および第１のポンプ位相で送り込み、上記ポンプ・ハイブリッドの第２の出力ポートが上記第２のミクサに第２のマイクロ波ドライブを上記ポンプ周波数および第２のポンプ位相で送り込むように、上記ポンプ・ハイブリッドに結合されたマイクロ波ポンプを含み、上記ポンプ・ハイブリッドは、上記第１のマイクロ波ドライブと上記第２のマイクロ波ドライブとの間の相対位相を±９０°に固定する。したがって、この実施形態は、ミクサにマイクロ波ドライブを送り込むための異なる構成を提供する。
【００２２】
別の実施形態では、上記第２のポートと上記異なる第２のポートとが伝送線路を介して結合され、伝送線路は無視可能なエネルギー損失を有する。したがって、この実施形態は、２つのミクサを結合する特定の方式を提供する。
【００２３】
別の実施形態では、上記第２のポートと上記異なる第２のポートとが、結合構成要素を使用して互いに結合され、結合構成要素は、上記第１のミクサと上位第２のミクサとの間を伝播される信号の減衰をもたらす。したがって、この実施形態は、２つのミクサを結合する異なる方式を提供する。
【００２４】
別の実施形態では、上記第１のミクサの上記第２のポートが第１の供給線路と第２の供給線路とを含み、上記第２のミクサの上記異なる第２のポートが異なる第１の供給線路と異なる第２の供給線路とを含み、上記第２の供給線路と上記異なる第２の供給線路とが伝送線路を介して結合され、伝送線路は無視可能なエネルギー損失を有し、上記第１の供給線路は５０オーム終端に結合され、上記異なる第１の供給線路は異なる５０オーム終端に結合されている。したがって、この実施形態は２つのミクサを結合する異なる方式を提供する。
【００２５】
別の実施形態では、上記第１および第２のＩ／Ｏポートが９０度ハイブリッド結合器の一部であり、上記第１のポートと上記異なる第１のポートの機能が、上記第１のミクサと上記第２のミクサとにおいて同等であるように構成される。したがって、この実施形態は、結果のデバイスがアイソレータとして動作するようなハイブリッドとミクサとの特定の構成を提供する。
【００２６】
別の実施形態では、上記第１のミクサと上記第２のミクサとはそれぞれ非縮退３波ミクサである。したがって、この実施形態は、アイソレータを形成するために使用することができる特定の種類のミクサ・デバイスを提供する。
【００２７】
別の実施形態では、上記第１のミクサと上記第２のミクサとはそれぞれジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ）であり、上記第１のミクサと上記第２のミクサとは名目上同一である。したがって、この実施形態は、アイソレータを形成するために使用することができる特定の種類のミクサ・デバイスを提供する。
【００２８】
一実施形態は、上記超伝導デバイスを製造する製造方法を含む。
【００２９】
一実施形態は、上記超伝導デバイスを製造するための製造システムを含む。
【００３０】
本発明の特徴と考えられる新規な特徴は添付の特許請求の範囲に記載されている。しかし、本発明自体と、好ましい使用態様と、本発明のその他の目的および利点は、例示の実施形態の以下の詳細な説明を添付図面とともに読みながら参照すれば最もよくわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】例示の実施形態による、ＭＰＩＪＩＳによって実現される概念的アイソレータ機能のブロック図を示す図である。
【図２】例示の実施形態による、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のブロック図を示す図である。
【図３】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの例示の構成のブロック図を示す図である。
【図４】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおいて使用される非縮退３波ミクサの方式で構成された、非縮退３波ミクサの回路図を示す図である。
【図５】例示の実施形態による４ポート９０度マイクロ波ハイブリッド・デバイスのモードおよび動作を示す図である。
【図６】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの代替構成を示す図である。
【図７】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの別の代替構成を示す図である。
【図８】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの別の代替構成を示す図である。
【図９】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける１つの信号経路を示す図である。
【図１０】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第２の信号経路を示す図である。
【図１１】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第３の信号経路を示す図である。
【図１２】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第４の信号経路を示す図である。
【図１３】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける１つの逆の信号経路を示す図である。
【図１４】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第２の逆の信号経路を示す図である。
【図１５】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第３の逆の信号経路を示す図である。
【図１６】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第４の逆の信号経路を示す図である。
【図１７】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの一般化信号伝達線図を示す図である。
【図１８】例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの簡略化信号伝達線図を示す図である。
【図１９】図１８の簡略化信号伝達線図に基づくＭＰＩＪＩＳ９００のデバイス方程式を示す図である。
【図２０】同じ動作点で動作させた名目上同一のミクサの特殊な場合のデバイス方程式を示す図である。
【図２１】ミクサを５０：５０ビーム・スプリッタ点で動作させる場合のデバイス方程式を示す図である。
【図２２】ミクサを５０：５０ビーム・スプリッタ点で動作させるが、伝送方向を変えた場合のデバイス方程式を示す図である。
【図２３】ミクサを５０：５０ビーム・スプリッタ点で動作させるが、２つのミクサ間を伝播する内部モード信号が得る位相が異なる場合のデバイス方程式を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明について説明するために使用する例示の実施形態は、一般に、非縮退３波混合ジョセフソン・デバイスに基づくマルチパス干渉ジョセフソン・アイソレータの上述の必要に対処し、解決する。非縮退３波混合ジョセフソン・デバイスに基づくマルチパス干渉ジョセフソン・アイソレータを、以下ではマルチパス干渉ジョセフソン・アイソレータ（Multi-Path Interferometric Josephson ISolator（ＭＰＩＪＩＳ））と簡潔かつ交換可能に称する。
【００３３】
ＭＰＩＪＩＳは、１）チップまたはプリント回路基板（ＰＣＢ）上に集積可能であり、２）フェライトを使用せず、３）強力な磁石を必要とせず、４）十分に熱化することができ、５）小型／コンパクトにすることができ、６）現在入手可能なアイソレータと比較して軽量である。また、市販のアイソレータは、常に、そのアイソレータのために固定された単一の方向に流れをゲートするように働く。それに対して、ＭＰＩＪＩＳにおける分離の方向は、本明細書に記載のようにデバイスを駆動する２つのポンプ・トーン間の位相差を無効にすることによってその場で逆にすることができる。
【００３４】
一実施形態は、超伝導量子回路におけるマイクロ波アイソレータとして実装可能なＭＰＩＪＩＳデバイスを提供する。別の実施形態は、ソフトウェア・アプリケーションとして実装可能な、ＭＰＩＪＩＳデバイスの製造方法を提供する。製造方法の一実施形態を実装するアプリケーションは、リソグラフィ・システムなどの既存の半導体製造システムとともに動作するように構成することができる。
【００３５】
説明を明確にするため、および、いかなる限定も含意することなく、例示の実施形態についていくつかの例示の構成を使用して説明する。本開示から、当業者は、記載されている目的を達成するために記載されている構成の多くの変更、改変、および修正に想到することができるであろうし、また同じことが例示の実施形態の範囲内で企図される。
【００３６】
また、図面および例示の実施形態では例示のミクサ、ハイブリッドおよびその他の回路構成要素の簡略図が使用されている。実際の製造または回路では、本明細書で図示または記載されていない追加の構造または構成要素、あるいは示されているものとは異なるが、本明細書に記載の目的にかなう構造または構成要素も、例示の実施形態の範囲から逸脱することなく存在し得る。
【００３７】
また、例示の実施形態について、特定の実際のまたは仮想の構成要素に関して単に例としてのみ説明する。様々な例示の実施形態により説明されているステップは、ＭＰＩＪＩＳ内に記載の機能を設けるために意図可能であるかまたは別の意図が可能な様々な構成要素を使用して回路を製造するために改変することができ、そのような改変も例示の実施形態の範囲内で企図される。
【００３８】
例示の実施形態について、特定の種類の材料、電気特性、ステップ、数、周波数、回路、構成要素および用途に関して例としてのみ、説明する。これらおよびその他の類似の物の特定の実装形態は、本発明に対する限定を意図していない。これらの任意の適合する実装形態およびその他の類似の物を、例示の実施形態の範囲内で選択することができる。
【００３９】
本開示における実施例は、説明を明確にするためにのみ使用され、例示の実施形態に限定しない。本明細書に列挙されているいずれの利点も例に過ぎず、例示の実施形態に限定することを意図していない。追加または異なる利点も、特定の例示の実施形態により実現可能である。また、特定の例示の実施形態が、上記で列挙されている利点のうちの一部または全部を有するか、またはいずれも有しない場合がある。
【００４０】
図１を参照すると、この図は例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳによって実現される概念的アイソレータ機能のブロック図を示す。シンボル１０２は、従来技術の極低温アイソレータであるか、アイソレータとして動作するＭＰＩＪＩＳであるかを問わず、アイソレータを示す。アイソレータ１０２は２つのポート１０４および１０６を有し、そのいずれかが入力信号を受信することができる。動作１０８に２つの事例を示す。一方の事例では、信号Ｓがポート１０４から入力される。シンボル１０２における矢印の方向に従うと、アイソレータ１０２は信号Ｓをポート１からポート２に実質的に無減衰で通過させるように構成されている。したがって、ポート１の入力矢印と比較してポート２からの出力を示す矢印の太さが実質的に変化していないことによって示されているように、信号Ｓはポート１０６において実質的に振幅に変化なく現れる。他方の事例では、信号Ｓがポート２（１０６）から入力される。アイソレータ１０２は、ポート２からポート１への方向の信号Ｓをブロックする。したがって、ポート２の入力矢印と比較してポート１からの出力を示す矢印のわずかな厚さによって示すように、ポート２から入力された信号Ｓは、わずかな振幅、理想的にはゼロ振幅の信号のみがポート１（１０４）に現れるように大幅に減衰される。
【００４１】
散乱行列１１０は、ポート１で入力され、ポート１により反射される信号（Ｓ１１）と、ポート１で入力され、ポート２に伝送される信号（Ｓ２１）と、ポート２で入力され、ポート２により反射される信号（Ｓ２２）と、ポート２で入力され、ポート１に伝送される信号（Ｓ１２）の、可能な４方向における理想アイソレータ１０２の伝送パラメータを表している
【００４２】
散乱行列１１０は以下のように［Ｓ］として表される。
【００４３】
【数１】
2021501499.tif 000003
ここで、理想的には以下の通りとなる。
【数２】
2021501499.tif 000004
【００４４】
すなわち、アイソレータ１０２は、ポート１で入力された信号のゼロをポート１により反射し（Ｓ１１＝０）、ポート１で入力された信号の１、すなわち全部をポート２に伝送し（Ｓ２１＝１）、ポート２で入力された信号のゼロをポート２により反射し（Ｓ２２＝０）、ポート２で入力された信号のゼロをポート１に伝送する（Ｓ１２＝０）。
【００４５】
図２を参照すると、この図は、例示の一実施形態による周波数変換（光子利得なし）で動作させた非縮退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、本明細書に記載の方式でＭＰＩＪＩＳの一部として使用可能である。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。
【００４６】
超伝導非縮退３波ミクサ２０２は、周波数ｆＳのマイクロ波信号を入力することができる信号ポート２０４（Ｓ）と、周波数ｆＩのアイドラ・マイクロ波信号を入力することができるアイドラ・ポート２０６（Ｉ）と、周波数ｆＰおよび位相ψρのマイクロ波信号を入力することができるポンプ・ポート２０８（Ｐ）の３つのポートを有する。１つの構成では（一般性を失わず）、ｆＰ、ｆＳおよびｆＩを互いに相対的に比較した場合、ｆＩは高周波数であり、ｆＰは低周波数であり、ｆＳは中間周波数である（すなわち、ｆＩ＞ｆＳ＞ｆＰ）。超伝導非縮退３波ミクサ２０２は、２つの入力、すなわちＳとＩとを有するため、非縮退と特徴付けられる。
【００４７】
超伝導非縮退３波ミクサ２０２は、アイドラ・ポートから信号ポートへの伝送パラメータｔと、信号ポートからアイドラ・ポートへの伝送パラメータｔ’とを有する。アイドラ・ポートから信号ポートでは、アイドラ・マイクロ波信号がアイドラ・ポートに周波数ｆ２で入り、ダウン・コンバートされ、信号ポートから周波数ｆ１で出る。信号ポートからアイドラ・ポートでは、信号マイクロ波信号が、信号ポートに周波数ｆ１で入り、アップ・コンバートされ、アイドラ・ポートから周波数ｆ２で出る。ポンプ・マイクロ波信号は、周波数アップ・コンバージョンと周波数ダウン・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、ここでｆＰ＝ｆＩ−ｆＳ＝ｆ２−ｆ１である。
【００４８】
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。
【００４９】
【数３】
2021501499.tif 000005
【００５０】
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は反射パラメータ（信号のうちのどれだけが、その信号が入力される同じポートにより反射されるか）、ｔは伝送パラメータ（１つのポートで入力される信号のうちのどれだけが別のポートに伝送されるか）、およびｔ’＝−ｔ＊である（ただしｔ＊はｔの共役）。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。
【００５１】
非縮退３波ミクサ２０２は、３つの動作モードで動作させることができ、これは特に注目されることである。
【００５２】
動作モード１：完全ミラー動作点（ポンプはオフ）。
【００５３】
｜ｒ｜２＝１、｜ｔ｜２＝０、かつ
【数４】
2021501499.tif 000006
【００５４】
これは、非縮退３波ミクサが信号の実質的に全部を入力ポートにより反射し（反射パラメータＳ１１およびＳ２２が１である）、非縮退３波ミクサが信号のうちの実質的にゼロを別のポートに伝送する（伝送パラメータＳ２１およびＳ１２が０である）ことを意味する。
【００５５】
動作モード２：完全変換動作点
【００５６】
｜ｒ｜２＝０、｜ｔ｜２＝１、かつ
【数５】
2021501499.tif 000007
【００５７】
このモードでは、反射は起こらず、周波数変換を伴う完全伝送が起こる。このモードは、このモードが動作可能になるために適切に設定する必要がある、ポンプ振幅に依存する。伝送パラメータの位相は、ポンプの位相に非相反的に依存する（すなわち、アイドラ・ポートから信号ポートに伝播する信号が得る位相は、−ψρであり、一方、反対方向に伝播する信号が得る位相はψρである）。
【００５８】
動作モード３：５０：５０ビーム・スプリッタ動作点：
【００５９】
【数６】
2021501499.tif 000008
【００６０】
このモードは、このモードが動作可能になるために適切に設定する必要がある、ポンプ振幅に依存する。ポンプの位相ψＰ（以下で、２つの異なる非縮退３波ミクサに入力される２つのポンプ信号についてはψ１およびψ２と表記する）が、本明細書に記載の実施形態により利用される。ポートＳからポートＩに伝播する信号に位相ψＰが加えられ、ポートＩからポートＳに伝播する信号から位相ψＰが差し引かれる。
【００６１】
例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳでは、それぞれモード３で動作する非縮退３波ミクサ２０２の２つの適合する実装形態を１つの構成要素として使用する。ＪＰＣは１つのそのような非限定的実装形態であり、従来技術のアイソレータと比較すると、マイクロ波信号により駆動され、チップ上に集積可能であり、軽量で、十分に熱化し、無損失またはわずかなエネルギー損失を有し、動作に磁気材料または強力な磁束を採用しない、低雑音マイクロ波増幅器である。
【００６２】
図３を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの例示の構成のブロック図を示す。ＭＰＩＪＩＳ構成３００は、非縮退３波混合ミクサ３０２Ａと非縮退３波ミクサ３０２Ｂとの対３０２を含む。非縮退３波ミクサ３０２Ａおよび非縮退３波ミクサ３０２Ｂのそれぞれは、図示し、本明細書で説明するようないくつかの変形を備えた、図２の非縮退３波ミクサ２０２の一例である。非縮退３波ミクサ３０２Ａおよび３０２Ｂは両方とも、図２に関して説明したようにビーム・スプリッタ動作点でモード３で動作する。
【００６３】
非縮退３波ミクサ３０２Ａは、ポートａ１、ｂ１、ｐ１、およびｂ１’を備えて構成される。物理ポートａ１は、非縮退３波ミクサ２０２のポートＳに対応する。物理ポートｂ１およびｂ１’は、非縮退３波ミクサ２０２のポートＩに対応する（またはその逆も同様である）。ポートｐ１は、非縮退３波ミクサ２０２のポートＰに対応する。物理ポートｂ１’は、例えばコールド終端を使用して、構成３００に示すように終端される。例えば、ポートｂ１’のコールド終端は、５０オーム終端とすることができる。非縮退３波ミクサのこの構成を図４に示す。
【００６４】
図４に、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおいて使用される非縮退３波ミクサの方式で構成された、非縮退３波ミクサの回路図を示す。例えば、回路図４００は図３の非縮退３波ミクサ３０２Ａおよび３０２Ｂに対応する。一実施形態では、非縮退３波ミクサ３０２Ａと３０２Ｂとは名目上同一である。
【００６５】
非縮退３波ミクサ３０２Ａと３０２Ｂとは、図のように非縮退３波ミクサ３０２Ａと３０２Ｂのポートｂ１とｂ２とをそれぞれ接続する伝送線路３０３を介して互いに結合されている。理想的には、非縮退３波ミクサ３０２Ａと３０２Ｂは、伝送線路３０３の長さが実質的にゼロのバック・ツー・バックで結合される。伝送線路３０３の長さは、実装形態がチップ上でまたはプリント回路基板（ＰＣＢ）で許す限り短いことが好ましい。
【００６６】
ポート「ａ」（非縮退３波ミクサ３０２Ａのポートａ１に対応する）から入る信号を以下のように分割することができる。すなわち、信号の一部をポート「ａ」から反射させ、信号の一部をポート「ｂ」から外に伝送させ、信号の一部をポート「ｂ」に送り、そこで信号エネルギーを消散させる。マイクロ波ポンプが特定の周波数および位相のマイクロ波をポート「ｐ」から入力する。
【００６７】
図３に戻ると、構成要素３０４は「ハイブリッド」と呼ばれるデバイスである。ハイブリッド３０４は、（使用される入力ポートおよび出力ポートに応じて）マイクロ波スプリッタまたはマイクロ波結合器として動作する一方、一部の経路では位相シフトも行い、他の経路では位相シフトを行わない、４ポート９０度マイクロ波デバイスである。図５に、ハイブリッド・デバイスの動作を図示し、説明する。
【００６８】
図５を参照すると、この図は、例示の実施形態による４ポート９０度マイクロ波ハイブリッド・デバイスのモードおよび動作を示す。４ポート回路図５００は、図３のＭＰＩＪＩＳ３００における構成要素を形成するマイクロ波ハイブリッド・デバイスを表す。ハイブリッド５００のポート１およびポート２は、信号Ｓがハイブリッドに入力されるかまたはハイブリッドから出力され、半導体回路（図示せず）から入力または半導体回路に出力されるポートである。ポート３および４はそれぞれ、非縮退３波ミクサのポート「ａ」、例えば非縮退３波ミクサ４００のポート「ａ」、または非縮退３波ミクサ３０２Ａのポート「ａ１」および非縮退３波ミクサ３０２Ｂのポート「ａ２」に接続される。ハイブリッド５００におけるポート３およびポート４は、信号Ｓの一部がハイブリッドから非縮退３波ミクサ（図示せず）に入力されるか、または非縮退３波ミクサからハイブリッドへの出力信号が受信されるポートである。
【００６９】
スプリッタ動作５０２は、信号Ｓがポート１に入力されると、信号Ｓが２つの部分に分割され、信号の約５０パーセントである一方の部分が位相シフトなし（０度位相シフト）でポート３に送られ、信号の約５０パーセントである他方の部分が９０度位相シフトでポート４に送られることを示す。
【００７０】
スプリッタ動作５０４は、信号Ｓがポート２に入力されると、信号Ｓが２つの部分に分割され、信号の約５０パーセントである一方の部分が位相シフトなし（０度位相シフト）でポート４に送られ、信号の約５０パーセントである他方の部分が９０度位相シフトでポート３に送られることを示す。
【００７１】
動作５０６は、提案のＭＰＩＪＩＳの構成３００で行われる。その場合、動作５０６は、ハイブリッド５００の結合器動作を形成する。非縮退３波ミクサのポート「ａ」に入る信号が、ポート「ａ」から少なくとも部分的に反射されるとする。結合器動作５０６は、反射信号がＭＰＩＪＩＳの一方の非縮退３波ミクサのポート「ａ」からポート・ハイブリッド３で受信されると、２つの部分に分割され、信号の約５０パーセントである一方の部分が位相シフトなし（０度位相シフト）でポート１に送られ、信号の約５０パーセントである他方の部分が９０度位相シフトでポート２に送られることを示す。同様に、結合器動作５０６は、反射信号がＭＰＩＪＩＳの他方の非縮退３波ミクサのポート「ａ」からポート・ハイブリッド４で受信されると２つの部分に分割され、信号の約５０パーセントである一方の部分が位相シフトなし（０度位相シフト）でポート２に送られ、信号の約５０パーセントである他方の部分が９０度位相シフトでポート１に送られることをさらに示す。ポート３およびポート４からポート１に到達する部分がハイブリッド５００によって（本明細書に記載の干渉現象により）結合され、ポート１から出力されることになる。ポート３およびポート４からポート２に到達する部分は、ハイブリッド５００によって（本明細書に記載の干渉現象により）結合されてポート２から出力されることになる。
【００７２】
図３に戻ると、信号ｆ１（ｆ１は信号周波数である）がポートａ１で非縮退３波ミクサ３０２Ａの共振器と共振する。信号ｆ２（ｆ２は信号周波数である）は、非縮退３波ミクサ３０２Ａを非縮退３波ミクサ３０２Ｂに接続する伝送線路上の信号である。信号ｆ２は、非縮退３波ミクサ３０２Ａまたは非縮退３波ミクサ３０２Ｂあるいはその両方の共振器とポートｂ１またはポートｂ２あるいはその両方で共振する。
【００７３】
ポンプ入力ｆＰは、以下の条件を満たす周波数の、非共振トーンである。
【００７４】
ｆＰ＝ｆ２−ｆ１
【００７５】
ポンプ位相ψ１は非縮退３波ミクサ３０２Ａに入力されるポンプ１の位相ψＰである。ポンプ位相ψ２は、非縮退３波ミクサ３０２Ｂに入力されるポンプ２の位相ψＰである。ψ１とψ２とが一実施形態により選択されると、ＭＰＩＪＩＳ３００は方向をその場で逆転させることができるアイソレータとして動作する。ＭＰＩＪＩＳ３００のアイソレータ動作は、（ψ１−ψ２）とポンプ１およびポンプ２からのポンプ信号の振幅との関数である。一実施形態では、非縮退３波ミクサ３０２Ａに入力されるポンプ１の振幅は、非縮退３波ミクサ３０２Ｂに入力されるポンプ２の振幅と実質的に同じである。
【００７６】
アイソレータとして動作する場合、ＭＰＩＪＩＳ３００は、有意な減衰なしに信号ｆ１をハイブリッド３０４のポート１からハイブリッド３０４のポート２に通過させるが、信号がハイブリッド３０４のポート２に入力された場合には、信号のごくわずかな（理想的にはゼロ）部分がハイブリッド３０４のポート１において出力として観察可能であるように、その信号のきわめて高い減衰を生じさせる。一方向において減衰がなく逆方向において大幅な減衰があることを、ハイブリッド３０４のポート１およびポート２の近傍の黒いパターンの矢印の太さによって示す。
【００７７】
図６を参照すると、この図は例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの代替構成を示す。非縮退３波ミクサ３０２Ａと３０２Ｂとの対３０２が図３のように構成されている。９０度ハイブリッド３０４が図３および図５に記載のように構成されている。
【００７８】
構成６００において、単一のポンプが第２の９０度ハイブリッドであるハイブリッド６０６を介して非縮退３波ミクサ３０２Ａと非縮退３波ミクサ３０２Ｂの両方とともに使用されるように構成される。ポンプ信号ｆＰがハイブリッド６０６のポート１に印加される。ハイブリッド６０６のポート２は適切に終端されている。ハイブリッド６０６のポート３は、非縮退３波ミクサ３０２Ａのポートｐ１に結合されている。ハイブリッド６０６のポート４は非縮退３波ミクサ３０２Ｂのポートｐ２に結合されている。
【００７９】
図７を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの別の代替構成を示す。非縮退３波ミクサ７０２Ａと７０２Ｂとの対７０２が、図３の非縮退３波ミクサ３０２Ａと３０２Ｂとの対３０２とほぼ同様に構成されているが、非縮退３波ミクサ７０２Ａおよび７０２Ｂはそれぞれ、非縮退３波ミクサのハイブリッドなしＪＰＣ実装形態である点が異なる。９０度ハイブリッド３０４が、図３および図５に示すように構成されている。構成７００では、ハイブリッドなしＪＰＣ７０２ＡおよびハイブリッドなしＪＰＣ７０２Ｂがそれぞれ追加の「ａ」ポート、すなわち、適切に終端された（例えば接地された）ａ１’およびａ２’をそれぞれ有する。
【００８０】
図８を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの別の代替構成を示す。構成８００は、構成６００と構成７００との組合せであり、それにより、ハイブリッドなしＪＰＣ７０２Ａおよびハイブリッドなし７０２Ｂにポンプ入力を供給するために、ハイブリッド６０６とともに単一のポンプが使用されている。
【００８１】
図９を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの１つの信号経路を示す。ＭＰＩＪＩＳ９００は、ＭＰＩＪＩＳ３００またはその構成変形６００、７００または８００のいずれかを代表するものである。ＭＰＩＪＩＳ９００におけるこの経路（経路１）は、ＭＰＩＪＩＳの散乱行列［Ｓ］におけるＳ２１に寄与する。Ｓ２１はポート１からポート２への伝送の伝送パラメータであることを想起されたい。
【００８２】
周波数ｆ１および相対位相０の信号がＭＰＩＪＩＳ９００のポート１に入力され、この入力を１∠０°と表し、これは信号の正規化振幅が１であり、信号の相対位相が０°であることを意味する。経路１は、ＭＰＩＪＩＳ９００をポート１からポート２まで横断する点線によって示されている。ポート２における出力へのこの経路の寄与は、
【数７】
2021501499.tif 000009
と表され、すなわち信号の正規化振幅が
【数８】
2021501499.tif 000010
であり、信号の相対位相が９０°であることを意味する。
【００８３】
図１０を参照すると、この図は例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの第２の信号経路を示す。ＭＰＩＪＩＳ９００における信号ｆ１１∠０°のこの経路（経路２）も、ＭＰＩＪＩＳの散乱行列［Ｓ］におけるＳ２１に寄与する。経路２は、ＭＰＩＪＩＳ９００をポート１からポート２まで横断する点線によって示されている。ポート２における出力へのこの経路の寄与は、
【数９】
2021501499.tif 000011
と表され、すなわち信号の正規化振幅が
【数１０】
2021501499.tif 000012
であり、信号の相対位相が９０°であることを意味する。
【００８４】
図１１を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第３の経路を示す。ＭＰＩＪＩＳ９００における信号ｆ１１∠０°のこの経路（経路３）も、ＭＰＩＪＩＳの散乱行列［Ｓ］におけるＳ２１に寄与する。経路３は、ＭＰＩＪＩＳ９００をポート１からポート２まで横断する点線によって示されている。ポート２における出力へのこの経路の寄与は、
【数１１】
2021501499.tif 000013
と表され、すなわち信号の正規化振幅が
【数１２】
2021501499.tif 000014
であり、信号の相対位相が９０°であることを意味する。
【００８５】
図１２を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第４の信号経路を示す。ＭＰＩＪＩＳ９００における信号ｆ１１∠０°の経路（経路４）も、ＭＰＩＪＩＳの散乱行列［Ｓ］におけるＳ２１に寄与する。経路４は、ＭＰＩＪＩＳ９００をポート１からポート２まで横断する点線によって示されている。ポート２における出力へのこの経路の寄与は、
【数１３】
2021501499.tif 000015
と表され、すなわち信号の正規化振幅が
【数１４】
2021501499.tif 000016
であり、信号の相対位相が９０°であることを意味する。
【００８６】
したがって、４つの主要経路、すなわち経路１、２、３および４の間の強め合う干渉によって、
【００８７】
【数１５】
2021501499.tif 000017
が与えられる。
【００８８】
図１３を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける１つの逆の信号経路を示す。ＭＰＩＪＩＳ９００は、ＭＰＩＪＩＳ３００またはその構成変形６００、７００または８００のいずれかを代表するものである。ＭＰＩＪＩＳ９００におけるこの経路（経路１’）は、ＭＰＩＪＩＳの散乱行列［Ｓ］におけるＳ１２に寄与する。Ｓ１２はポート２からポート１への伝送の伝送パラメータであることを想起されたい。
【００８９】
周波数ｆ１および相対位相０の信号がＭＰＩＪＩＳ９００のポート２に入力され、この入力は１∠０°と表され、これは信号の正規化振幅が１であり、信号の相対位相が０°であることを意味する。経路１’は、ＭＰＩＪＩＳ９００をポート２からポート１まで横断する点線によって示されている。ポート１における出力へのこの経路の寄与は、
【数１６】
2021501499.tif 000018
と表され、すなわち信号の正規化振幅が
【数１７】
2021501499.tif 000019
であり、信号の相対位相が９０°であることを意味する。
【００９０】
図１４を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第２の逆の信号経路を示す。ＭＰＩＪＩＳ９００における信号ｆ１１∠０°のこの経路（経路２’）も、ＭＰＩＪＩＳの散乱行列［Ｓ］におけるＳ２１に寄与する。経路２’は、ＭＰＩＪＩＳ９００をポート２からポート１まで横断する点線によって示されている。ポート１における出力へのこの経路の寄与は、
【数１８】
2021501499.tif 000020
と表され、すなわち信号の正規化振幅が
【数１９】
2021501499.tif 000021
であり、信号の相対位相が９０°であることを意味する。
【００９１】
図１５を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第３の逆の信号経路を示す。ＭＰＩＪＩＳ９００における信号ｆ１∠０°の経路（経路３’）も、ＭＰＩＪＩＳの散乱行列［Ｓ］におけるＳ１２に寄与する。経路３’は、ＭＰＩＪＩＳ９００をポート２からポート１まで横断する点線によって示されている。ポート２における出力へのこの経路の寄与は、
【数２０】
2021501499.tif 000022
と表され、これは信号の正規化振幅が
【数２１】
2021501499.tif 000023
であり、信号の相対位相が２７０°であることを意味する（経路１’および２’の寄与と１８０度位相がずれている）。
【００９２】
図１６を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳにおける第４の逆の信号経路を示す。ＭＰＩＪＩＳ９００における信号ｆ１１∠０°のこの経路（経路４’）も、ＭＰＩＪＩＳの散乱行列［Ｓ］におけるＳ１２に寄与する。経路４’は、ＭＰＩＪＩＳ９００をポート２からポート１まで横断する点線によって示されている。ポート２における出力へのこの経路の寄与は、
【数２２】
2021501499.tif 000024
と表され、これは信号の正規化振幅が
【数２３】
2021501499.tif 000025
であり、信号の相対位相が２７０°であることを意味する（経路１’および２’の寄与と１８０度位相がずれている）。
【００９３】
したがって、４つの主要な逆方向経路、すなわち経路１’、２’、３’および４’の間の相殺的干渉によって、
【００９４】
【数２４】
2021501499.tif 000026
が与えられる。
【００９５】
図１７を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの一般化信号伝達線図を示す。
【００９６】
図１８を参照すると、この図は、例示の実施形態によるＭＰＩＪＩＳの簡略化信号伝達線図を示す。
【００９７】
図１７および図１８の信号伝達線図では、非縮退３波ミクサ３０２Ａと３０２Ｂの２つのポートｂ１とｂ２とが、これらのポートとコールド終端を結合する実効対称結合器１１０２（例えば９０度ハイブリッド）を介してポートｂ１およびｂ２においてそれぞれ互いに接続されている。一実施形態では、図１８に図示するように、実効結合器１１０２は振幅減衰｜α｜を有する損失伝送線路によって置き換えられる。伝送線路を伝播する周波数ｆ２の信号が得る位相は引数（α）（すなわち、複素数αの位相）である。
【００９８】
信号伝達線図は、ポート１およびポート２と、９０°ハイブリッド結合器３０４と、非縮退３波ミクサ３０２Ａと、非縮退３波ミクサ３０２Ｂと、実効結合器１１０２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。実効結合器１１０２は、互いに結合されたポートｂ１とｂ２の間を周波数ｆ２で伝播する信号の実伝送パラメータαを有する（この実パラメータは、ポートｂ１とｂ２の間を伝播する信号が得る位相がないことを意味する）。２つの非縮退３波ミクサは名目上同一である（ものとする）。ある特定の動作点におけるＭＰＩＪＩＳ９００の散乱パラメータは、図９ないし図１２に示す４つの主要順方向経路と図１３ないし図１６に示す４つの主要逆方向経路との波干渉によって決まる（ただし、ｂ１とｂ２の間の可能なビーム横断数は無限であるため各方向に複数の（または無限の）可能な経路がある）。
【００９９】
図１３ないし図１６に示すように、ポートｉからｊ（ただし、ｉ、ｊ∈｛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。図９ないし図１２に示すように、ｉからｊ（ただし、ｉ、ｊ∈｛１，２｝）に伝播する波が強め合う干渉をする場合、ｉからｊへの共振時の散乱パラメータはほぼ１である。
【０１００】
ポンプはイネーブルされているものとし、ここで、
【数２５】
2021501499.tif 000027
であり、位相差はψ≡ψ１−ψ２である。図１８に示す損失伝送線路１１０２の振幅減衰係数は
【数２６】
2021501499.tif 000028
と定義される。（ポートｂ１とｂ２の間の）伝送線路１１０２をｆ２で伝播する信号が得る位相シフトは、ψｄ＝ωｄ＝ω２τｄである。ｆ２のマイクロ波信号の角周波数はω２＝２πｆ２である。遅延／伝送線路１１０２の遅延時間は、
【数２７】
2021501499.tif 000029
であり、ここで、ｃは光速であり、ｌｄは伝送線路（１１０２）の有効電気長であり、εは伝送線路１１０２の実効誘電率である。
【０１０１】
図１７の信号図で、ｒ１およびｒ２は反射率であり、ｔ１、ｔ’１、ｔ２およびｔ’２はそれぞれ非縮退３波ミクサ３０２Ａおよび３０２Ｂの伝送パラメータであり、ｔ’１＝−ｔ＊１（ただしｔ＊１はｔ１の共役）であり、ｔ’２＝−ｔ＊２（ただし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く、ｒ１はｒ２と等しいかまたはほぼ等しいものとする。
【０１０２】
なお、ポート１に入るｆ１の信号がＭＰＩＪＩＳ９００においてたどるか、またはポート２に入るｆ１の信号がたどるか、あるいはその両方の信号がたどる経路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の任意の信号の場合、波干渉の結果、位相差ψに基づいて伝送または反射あるいはその両方を決定する４つの順方向または逆方向の主要経路がそれぞれ生じる。
【０１０３】
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。
【０１０４】
Ｉ．図１９に、図１８の簡略化信号伝達線図に基づくＭＰＩＪＩＳ９００のデバイス方程式を示す。
【０１０５】
まず、散乱行列
【数２８】
2021501499.tif 000030
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、伝送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）。
【０１０６】
【数２９】
2021501499.tif 000031
【０１０７】
【数３０】
2021501499.tif 000032
【０１０８】
【数３１】
2021501499.tif 000033
【０１０９】
【数３２】
2021501499.tif 000034
【０１１０】
中間結果は、
【０１１１】
【数３３】
2021501499.tif 000035
【０１１２】
【数３４】
2021501499.tif 000036
【０１１３】
【数３５】
2021501499.tif 000037
【０１１４】
【数３６】
2021501499.tif 000038
【０１１５】
これは以下（式Ｂ）のように書き換えることができる。
【０１１６】
【数３７】
2021501499.tif 000039
【０１１７】
【数３８】
2021501499.tif 000040
【０１１８】
【数３９】
2021501499.tif 000041
【０１１９】
【数４０】
2021501499.tif 000042
【０１２０】
上式で、ψ≡ψ１−ψ２である。
【０１２１】
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（伝送パラメータ）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（伝送パラメータ）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の間（およびその逆）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ＭＰＩＪＩＳ９００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ＭＰＩＪＩＳ９００の動作を規定する。
【０１２２】
ＩＩ．図２０に、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のデバイス方程式を示す。
【０１２３】
同じ動作点で動作させた名目上同一のミクサ３０２Ａおよび３０２Ｂ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３０２Ａと３０２Ｂとが名目上同一であり、同じ動作点でバイアスされる）、｜α｜＝α’、ψ≡ψ１−ψ２、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、
【０１２４】
【数４１】
2021501499.tif 000043
【０１２５】
【数４２】
2021501499.tif 000044
【０１２６】
【数４３】
2021501499.tif 000045
【０１２７】
その結果（最終的に）以下のようになる。
【０１２８】
【数４４】
2021501499.tif 000046
【０１２９】
【数４５】
2021501499.tif 000047
【０１３０】
【数４６】
2021501499.tif 000048
【０１３１】
ＩＩＩ．図２１に、ミクサを５０：５０ビーム・スプリッタ点で動作させた場合のデバイス方程式を示す。
【０１３２】
ＭＰＩＪＩＳ９００がアイソレータとして動作するために、ミクサ３０２Ａおよび３０２Ｂが５０：５０ビーム分割動作点で動作し、以下の関係が満たされる。
【０１３３】
【数４７】
2021501499.tif 000049
【０１３４】
【数４８】
2021501499.tif 000050
【０１３５】
【数４９】
2021501499.tif 000051
【０１３６】
伝送線路を伝播する（アイドラ共振器の）ｆ２の共振信号が得る位相シフトは、ψｄ＝πｋであり、ここでｋ＝０、±１、±２、．．．である。
【０１３７】
ψｄ＝０かつ共振の場合、散乱パラメータは以下の通りである（式Ｃ）。
【０１３８】
【数５０】
2021501499.tif 000052
【０１３９】
【数５１】
2021501499.tif 000053
【０１４０】
【数５２】
2021501499.tif 000054
【０１４１】
ここでψ≡ψ１−ψ２である。
【０１４２】
この結果、以下のようになる。
【０１４３】
【数５３】
2021501499.tif 000055
【０１４４】
【数５４】
2021501499.tif 000056
【０１４５】
【数５５】
2021501499.tif 000057
【０１４６】
この図でわかるように、ψ＝−π／２の場合、アイソレータはポート１からポート２に伝送するが、ポート２からポート１への伝播はブロックする。式Ｄに以下のように示す。
【０１４７】
Ｓ１１＝０  Ｓ２２＝０
【０１４８】
Ｓ１２＝０
【数５６】
2021501499.tif 000058
【０１４９】
｜Ｓ２１｜２＝０．８８８９
【０１５０】
これをデシベルで表すと、｜Ｓ２１｜（ｄＢ）＝−０．５１ｄＢとなる。
【０１５１】
すると、Ｓ行列は以下のようになる。
【０１５２】
【数５７】
2021501499.tif 000059
これは、ポート１からポート２への伝送とポート２からポート１の方向の分離を示す。
【０１５３】
ＩＶ．図２２に、ミクサを５０：５０ビーム・スプリッタ点で動作させるが、伝送方向を変えた場合のデバイス方程式を示す。
【０１５４】
ここで、ψを式Ｄのようにψ＝−π／２ではなく、π／２に変えるものとする。この図でわかるように、ψ＝π／２の場合、アイソレータはポート２からポート１に伝送するが、ポート１からポート２への伝播をブロックする。式Ｅに以下のように示す。
【０１５５】
Ｓ１１＝０  Ｓ２２＝０
【０１５６】
Ｓ２１＝０
【数５８】
2021501499.tif 000060
【０１５７】
｜Ｓ１２｜２＝０．８８８９
【０１５８】
これをデシベルで表すと｜Ｓ１２｜（ｄＢ）＝−０．５１ｄＢとなる。
【０１５９】
すると、Ｓ行列は以下のようになる。
【０１６０】
【数５９】
2021501499.tif 000061
これは、ポート２からポート１への伝送と、ポート１からポート２の方向の分離を示す。この種のその場での分離方向変更は、現況技術の市販極低温アイソレータでは利用不可能である。
【０１６１】
Ｖ．図２３に、ミクサを５０：５０ビーム・スプリッタ点で動作させるが、２つのミクサ間を伝播する内部モード信号が得る位相が異なる場合のデバイス方程式を示す。ポンプの振幅、位相差、および周波数によって設定される動作点は上記ミクサの場合と同じであるが、２つのミクサ間を伝播する周波数ｆ２の内部モード信号が得る位相が異なり、０に対してπとなっている。したがって、この変更はデバイス設計または２つのミクサを接続する伝送線の変更である。
【０１６２】
ＭＰＩＪＩＳ９００がアイソレータとして動作するためには、ミクサ３０２Ａおよび３０２Ｂが５０：５０ビーム分割動作点で動作し、この場合、ψｄ＝πかつ共振、およびψ＝π／２である。以下の関係が満たされる。
【０１６３】
【数６０】
2021501499.tif 000062
【０１６４】
【数６１】
2021501499.tif 000063
【０１６５】
【数６２】
2021501499.tif 000064
【０１６６】
次に、ψｄ＝πかつ共振の場合、分散パラメータは以下のようになる（式Ｆ）。
【０１６７】
【数６３】
2021501499.tif 000065
【０１６８】
【数６４】
2021501499.tif 000066
【０１６９】
【数６５】
2021501499.tif 000067
【０１７０】
ここで、ψ≡ψ１−ψ２である。
【０１７１】
この結果、以下のようになる。
【０１７２】
【数６６】
2021501499.tif 000068
【０１７３】
【数６７】
2021501499.tif 000069
【０１７４】
【数６８】
2021501499.tif 000070
【０１７５】
この図でわかるように、ψ＝π／２の場合、アイソレータは再びポート１からポート２に伝送し、ポートからポート１への伝播をブロックする。式Ｇに以下のように示す。
【０１７６】
Ｓ１１＝０  Ｓ２２＝０
【０１７７】
Ｓ１２＝０
【数６９】
2021501499.tif 000071
【０１７８】
｜Ｓ２１｜２＝０．８８８９
【０１７９】
これをデシベルで表すと｜Ｓ２１｜（ｄＢ）＝−０．５１ｄＢとなる。
【０１８０】
すると、Ｓ行列は以下のようになる。
【０１８１】
【数７０】
2021501499.tif 000072
これは、再びポート１からポート２への伝送と、再びポート２からポート１への方向の分離とを示す。本開示から、当業者は、このような分離動作と分離方向の逆転とは、図２１ないし図２３に示すようにして、提案のＭＰＩＪＩＳデバイスをψｄ（設計／レイアウトにより）とψ（ドライブ間の位相差を変更することにより）とを変えることによって多くの動作点で使用して可能であることがわかるであろう。
【０１８２】
ＭＰＩＪＩＳデバイスの回路素子およびＭＰＩＪＩＳへの接続は、超伝導物質からなり得る。それぞれの共振器および伝送／供給／ポンプ線路は、超伝導物質からなり得る。ハイブリッド結合器は、超伝導物質からなり得る。（約１０から１００ミリケルビン（ｍＫ）または約４Ｋなどの低温での）超伝導物質の例としては、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、超伝導物質からなり、そのトンネル接合は酸化アルミニウムなどの薄いトンネル障壁からなり得る。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物質からなり得る。様々な要素を接続する伝送線路（すなわち配線）は、超伝導物質からなり得る。
【０１８３】
当業者にはわかるように、ＭＰＩＪＩＳデバイスには多くの異なる技術的長所および利点がある。ＭＰＩＪＩＳデバイスは、実質的に無損失（伝送または伝播において公称損失を超える損失がない）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に集積することができる。ＭＰＩＪＩＳデバイスは、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。ＭＰＩＪＩＳデバイスは、ハイブリッドおよびＪＰＣまたは非縮退３波ミクサのその他の実装形態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、ＭＰＩＪＩＳデバイスは長期（主として２つの非縮退３波ミクサ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、ＭＰＩＪＩＳデバイス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る。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（希釈冷凍器内の混合室の加熱がより少ない）。また、名目上同一の非縮退３波ミクサ（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。ＭＰＩＪＩＳデバイスは、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。ＭＰＩＪＩＳデバイスは、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。
【０１８４】
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であろう。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。
【０１８５】
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いずれかのその他の変形は、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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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当てはめることは他の当業者の知識の範囲内にあるものと認められる。
【０１８８】
「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。
【０１８９】
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】
【０１９０】
１０２  アイソレータ
１０４，１０６  ポート
１０８  動作
１１０  散乱行列
２０２  非縮退３波ミクサ
２０４  信号ポート
２０６  アイドラ・ポート
２０８  ポンプ・ポート
３０２Ａ，３０２Ｂ  非縮退３波ミクサ
３０３  伝送線路
３０４  ハイブリッド
【図１】
2021501499.tif 000073
【図２】
2021501499.tif 000074
【図３】
2021501499.tif 000075
【図４】
2021501499.tif 000076
【図５】
2021501499.tif 000077
【図６】
2021501499.tif 000078
【図７】
2021501499.tif 000079
【図８】
2021501499.tif 000080
【図９】
2021501499.tif 000081
【図１０】
2021501499.tif 000082
【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【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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【図２３】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年6月16日(2020.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波アイソレータ・デバイスであって、
第１のポートと第２のポートとを有し、第１のポートを介して入力周波数のマイクロ波入力を受信するように構成され、第２のポートでアイドラ周波数のアイドラ信号を生じさせるようにさらに構成された第１の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第１のミクサ）と、
異なる第１のポートと異なる第２のポートとを有し、異なる第１のポートを介して前記入力周波数の前記マイクロ波入力を受信し、異なる第２のポートで前記アイドラ周波数の前記アイドラ信号を生じさせるように構成された第２の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第２のミクサ）と、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに結合された第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートと、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに結合された第２のＩ／Ｏポートとを含み、前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートとの間で伝達されるマイクロ波信号（信号）が、前記第１のミクサと前記第２のミクサとを通って前記第１のＩ／Ｏポートから前記第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向に伝播するときに伝送され、前記第１のミクサと前記第２のミクサとを通って前記第２のＩ／Ｏポートから前記第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝播するときにブロックされることになる、マイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項２】
前記第１のミクサに第１のマイクロ波ドライブをポンプ周波数および第１のポンプ位相で送り込む第１のマイクロ波ポンプであって、前記第２のポートにおける前記アイドラ信号の前記アイドラ周波数が前記ポンプ周波数と前記入力周波数とに依存する、前記第１のマイクロ波ポンプと、
前記第２のミクサに第２のマイクロ波ドライブを前記ポンプ周波数および第２のポンプ位相で送り込む第２のマイクロ波ポンプであって、前記異なる第２のポートにおける前記アイドラ信号の前記アイドラ周波数が前記ポンプ周波数と前記入力周波数とに依存する、前記第２のマイクロ波ポンプとをさらに含む、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス
【請求項３】
前記第１のマイクロ波ポンプは、前記第１のミクサを５０：５０ビーム分割動作点で動作させるように構成され、前記第２のマイクロ波ポンプは、前記第２のミクサを前記５０：５０ビーム分割動作点で動作させるように構成された、請求項２に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項４】
前記第１のポンプ位相と前記第２のポンプ位相との間の位相差を変更することにより、前記信号を、前記第２の方向に伝播するときに伝送させ、第１の方向に伝播するときにブロックさせる、請求項２に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項５】
４ポート・マイクロ波ハイブリッド・デバイス（ポンプ・ハイブリッド）と、
前記ポンプ・ハイブリッドの第１の出力ポートが前記第１のミクサにポンプ周波数および第１のポンプ位相で第１のマイクロ波ドライブを送り込み、前記ポンプ・ハイブリッドの第２の出力ポートが前記第２のミクサに前記ポンプ周波数および第２のポンプ位相で第２のマイクロ波ドライブを送り込むように、前記ポンプ・ハイブリッドに結合されたマイクロ波ポンプとをさらに含み、前記ポンプ・ハイブリッドは前記第１のマイクロ波ドライブと前記第２のマイクロ波ドライブとの間の相対位相を±９０度に固定する、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項６】
前記第２のポートと前記異なる第２のポートとが伝送線路を介して結合され、前記伝送線路は無視可能なエネルギー損失を有する、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項７】
前記第２のポートと前記異なる第２のポートとが結合構成要素を使用して互いに結合され、前記結合構成要素は前記第１のミクサと前記第２のミクサとの間を伝播される信号の減衰をもたらす、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項８】
前記第１のミクサの前記第２のポートが第１の供給線路と第２の供給線路とを含み、前記第２のミクサの前記異なる第２のポートが異なる第１の供給線路と異なる第２の供給線路とを含み、前記第２の供給線路と前記異なる第２の供給線路とが伝送線路を介して結合され、前記伝送線路は無視可能なエネルギー損失を有し、
前記第１の供給線路は５０オーム終端に結合され、
前記異なる第１の供給線路は異なる５０オーム終端に結合された、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項９】
前記第１および第２のＩ／Ｏポートは９０度ハイブリッド結合器の一部であり、前記第１のポートと前記異なる第１のポートの機能が前記第１のミクサと前記第２のミクサとで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アイソレータ・デバイス。
【請求項１０】
前記第１のミクサと前記第２のミクサはそれぞれ非縮退３波ミクサである、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項１１】
前記第１のミクサと前記第２のミクサはそれぞれジョセフソン・パラメトリック変換器（ＪＰＣ）であり、前記第１のミクサと前記第２のミクサとは名目上同一である、請求項１に記載のマイクロ波アイソレータ・デバイス。
【請求項１２】
マイクロ波アイソレータ・デバイスを形成する方法であって、
第１のポートと第２のポートとを有する第１の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第１のミクサ）を構成することであって、前記第１のミクサは第１のポートを介して入力周波数のマイクロ波入力を受信するように構成され、第２のポートでアイドラ周波数のアイドラ信号を生じさせるようにさらに構成される、前記第１のミクサを構成することと、
異なる第１のポートと異なる第２のポートとを有する第２の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第２のミクサ）を構成することであって、前記第２のミクサは異なる第１のポートを介して前記入力周波数の前記マイクロ波入力を受信し、異なる第２のポートで前記アイドラ周波数の前記アイドラ信号を生じさせるように構成される、前記第２のミクサを構成することと、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートを結合することと、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに第２のＩ／Ｏポートを結合することとを含み、前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートとの間で伝達されるマイクロ波信号（信号）が、前記第１のミクサと前記第２のミクサとを通って前記第１のＩ／Ｏポートから前記第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向に伝播するときに伝送され、前記第１のミクサと前記第２のミクサとを通って前記第２のＩ／Ｏポートから前記第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝播するときにブロックされることになる、方法。
【請求項１３】
超伝導体製造システムであって、マイクロ波アイソレータ・デバイスを製造するように動作させると、
第１のポートと第２のポートとを有する第１の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第１のミクサ）を構成することであって、前記第１のミクサは第１のポートを介して入力周波数のマイクロ波入力を受信するように構成され、第２のポートでアイドラ周波数のアイドラ信号を生じさせるようにさらに構成される、前記第１のミクサを構成することと、
異なる第１のポートと異なる第２のポートとを有する第２の非縮退マイクロ波ミクサ・デバイス（第２のミクサ）を構成することであって、前記第２のミクサは異なる第１のポートを介して前記入力周波数の前記マイクロ波入力を受信し、異なる第２のポートで前記アイドラ周波数の前記アイドラ信号を生じさせるように構成される、前記第２のミクサを構成することと、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに第１の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートを結合することと、
前記第１のポートと前記異なる第１のポートとに第２のＩ／Ｏポートを結合することであって、前記第１のＩ／Ｏポートと前記第２のＩ／Ｏポートとの間で伝達されるマイクロ波信号（信号）が、前記第１のミクサと前記第２のミクサを通って前記第１のＩ／Ｏポートから前記第２のＩ／Ｏポートへの第１の方向に伝播するときに伝送され、前記第１のミクサと前記第２のミクサとを通って前記第２のＩ／Ｏポートから前記第１のＩ／Ｏポートへの第２の方向に伝播するときにブロックされることになる、前記第２のＩ／Ｏポートを結合することとを含む動作を実行する、超伝導体製造システム。
【国際調査報告】
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