(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導スイッチシステムであって、
入力部と出力部とを有するフィルタ回路網と、
前記入力部を前記出力部に結合する可変インダクタンス結合素子であって、入力信号の所望の部分を出力信号として前記入力部から前記出力部に通過させる第１のインダクタンス状態と、前記入力信号の所望の部分が前記入力部から前記出力部に通過するのを抑制する第２のインダクタンス状態と、を有する前記可変インダクタンス結合素子と、
前記可変インダクタンス結合素子の前記第１のインダクタンス状態と前記第２のインダクタンス状態との間のスイッチングを制御するように構成されたスイッチコントローラと、を備える超伝導スイッチシステム。
【請求項２】
前記可変インダクタンス結合素子は、磁束制御可変インダクタとして構成されて、前記磁束制御可変インダクタを流れる電流の振幅に基づく可変インダクタンスを提供する、請求項１に記載の超伝導スイッチシステム。
【請求項３】
第１のインダクタおよび１つまたは複数の追加のインピーダンス構成要素から構成される１つまたは複数の入力共振器と、
第２のインダクタおよび１つまたは複数の追加のインピーダンス構成要素から構成される１つまたは複数の出力共振器と、をさらに備える請求項２に記載の超伝導スイッチシステム。
【請求項４】
前記可変インダクタンス結合素子は、ジョセフソン接合を含む、請求項３に記載の超伝導スイッチシステム。
【請求項５】
前記ジョセフソン接合において、第１の端部が前記第１のインダクタに結合され、第２の端部が前記第２のインダクタに結合されて、前記第１のインダクタ、前記ジョセフソン接合、および前記第２のインダクタが超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を形成する、請求項４に記載の超伝導スイッチシステム。
【請求項６】
バイアス素子を流れる電流に基づいて前記超伝導量子干渉デバイスに電流を誘導するために、前記超伝導量子干渉デバイスに誘導結合される前記バイアス素子をさらに備える請求項５に記載の超伝導スイッチシステム。
【請求項７】
前記スイッチコントローラは、前記バイアス素子を流れる電流量を制御する、請求項６に記載の超伝導スイッチシステム。
【請求項８】
前記スイッチコントローラは、
前記第１のインダクタンス状態を提供するために、前記超伝導量子干渉デバイスに低電流を実質的に誘導するかまたは電流を実質的に誘導しない前記バイアス素子に電流を供給するかまたは供給しない、並びに
約０．１F０から約０．４５F０までの前記超伝導量子干渉デバイスに印加された磁束による所定の第２の電流を実質的に誘導する前記バイアス素子に電流を供給し、ここで、F０は磁束量子と等しい、請求項７に記載の超伝導スイッチシステム。
【請求項９】
前記フィルタ回路網の入力と前記超伝導量子干渉デバイスとの間に結合された入力結合コンデンサと、前記フィルタ回路網の出力と前記超伝導量子干渉デバイスとの間に結合された出力結合コンデンサと、をさらに備え、
前記入力結合コンデンサと前記出力結合コンデンサは、前記超伝導量子干渉デバイスを流れる電流が、前記フィルタ回路網の他の部分を流れることから分離されることを保証する、請求項５に記載の超伝導スイッチシステム。
【請求項１０】
超伝導スイッチシステムを提供する方法であって、
超伝導スイッチの出力に入力信号の所望の帯域部分を通過させるための所望のバンドパス出力を決定すること、
前記超伝導スイッチのバンドパスフィルタ回路網トポロジを決定すること、
前記バンドパスフィルタ内の無線周波数（ＲＦ）の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）の挿入点を決定することであって、前記無線周波数の前記超伝導量子干渉デバイスは、超伝導ループにおいて、第１の端部で可変インダクタンス結合素子に結合された第１のインダクタと、第２の端部で可変インダクタンス結合素子に結合された第２のインダクタと、を含む、前記挿入点を決定すること、
前記超伝導スイッチを提供するために１つ以上の入力共振器および１つ以上の出力共振器構成の要素の値を決定すること、
前記１つ以上の入力共振器と、前記１つ以上の出力共振器と、前記無線周波数の前記超伝導量子干渉デバイスとを含む前記超伝導スイッチと、前記無線周波数の前記超伝導量子干渉デバイスに結合されたバイアスインダクタと、前記バイアスインダクタを流れ、前記無線周波数の前記超伝導量子干渉デバイスに誘導される電流量を切り替えて、「オン」状態と「オフ」状態との間で超伝導体スイッチシステムを変更させるスイッチコントローラと、を含む超伝導スイッチシステムを構成すること、を備える超伝導スイッチシステムを提供する方法。
【請求項１１】
前記無線周波数の前記超伝導量子干渉デバイスのインダクタ要素の値を決定することをさらに備え、
前記無線周波数の前記超伝導量子干渉デバイスの前記インダクタ要素の値を決定することは、
前記無線周波数の前記超伝導量子干渉デバイスの線形インダクタンスが前記可変インダクタンス結合素子のインダクタンスを超えないことを保証することを含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して超伝導回路に関し、特に超伝導スイッチシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のマイクロ波機械式、電気機械式、および電子式スイッチは、互換性のない製造プロセスおよび高い電力損失のために、超伝導電子回路のオンチップ統合および極低温動作に適合しないことがある。同様に、電圧可変コンデンサ、すなわちバラクタ（varactor）、機械式ドライバ、または強誘電体およびフェライト材料のような能動部品の使用によって一般的に具体化される調整可能なフィルタは、単一磁束量子（single flux quantum : SFQ）技術で生成できる信号レベルによって容易に制御できず、また多くは極低温では動作しない。高温超伝導体と低温超伝導体の両方を使用して、固定および可変の両方の超伝導マイクロ波フィルタが以前に実現されているが、スイッチング用途でのそれらの使用によって、高い反射損失、限られた使用可能帯域幅および不十分な帯域外オフ状態アイソレーション（poor out-of-band off-state isolation）が生じることになる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一例では、入力部と出力部とを有するフィルタ回路網と、入力部を出力部に結合する可変インダクタンス結合素子と、を備える超伝導スイッチシステムが提供される。可変インダクタンス結合素子は、入力信号の所望の部分を出力信号として入力部から出力部に通過させる第１のインダクタンス状態と、入力信号が入力部から出力部に通過するのを抑制する第２のインダクタンス状態と、を有する。超伝導スイッチシステムは、可変インダクタンス結合素子の第１のインダクタンス状態と第２のインダクタンス状態との間のスイッチングを制御するように構成されたスイッチコントローラ、をさらに備える。
【０００４】
他の例では、入力端子と出力端子とを有するフィルタ回路網と、入力端子と出力端子との間に結合された超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と、を備える超伝導スイッチシステムが提供される。超伝導量子干渉デバイスは、ジョセフソン接合と、該ジョセフソン接合の第１の端部に結合された第１のインダクタと、該ジョセフソン接合の第２の端部に結合された第２のインダクタとを含み、第１および第２のインダクタの対向する端部が共通電位に結合されて超伝導ループを形成する。超伝導スイッチシステムは、超伝導ループを流れる誘導電流量を制御して、ジョセフソン接合を、入力端子に供給された入力信号の所望の帯域部分が出力端子に供給される第１のインダクタンス状態と、入力端子に供給された入力信号の所望の帯域部分が出力端子に流れることが抑制される第２のインダクタンス状態との間でスイッチングするスイッチコントローラをさらに備える。
【０００５】
更なる例では、超伝導スイッチシステムを提供する方法が提供される。方法は、超伝導スイッチの出力に入力信号の所望の帯域部分を通過させるための所望のバンドパス出力を決定すること、超伝導スイッチのバンドパスフィルタ回路網トポロジを決定すること、バンドパスフィルタ内の無線周波数（ＲＦ）のＳＱＵＩＤの挿入点を決定すること、を備える。ＳＱＵＩＤは、超伝導ループにおいて、第１の端部で可変インダクタンス結合素子に結合された第１のインダクタと、第２の端部で可変インダクタンス結合素子に結合された第２のインダクタと、を含む。方法は、超伝導スイッチを提供するために１つ以上の入力共振器および１つ以上の出力共振器構成の要素の値を決定することをさらに備える。超伝導スイッチシステムは、１つ以上の入力共振器と、１つ以上の出力共振器と、ＲＦ  ＳＱＵＩＤとを含む超伝導スイッチと、ＲＦ  ＳＱＵＩＤに結合されたバイアスインダクタと、バイアスインダクタを流れ、ＲＦ  ＳＱＵＩＤに誘導される電流量を切り替えて、「オン」状態と「オフ」状態との間で超伝導体スイッチシステムを変更させるスイッチコントローラと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、超伝導スイッチシステムの一例を示す。
【図２】図２は、超伝導スイッチシステムの他の例を示す。
【図３】図３は、「オン」状態の図２のフィルタのシミュレーションした応答の周波数に対する透過及び反射散乱Ｓパラメータのグラフを示す。
【図４】図４は、「オフ」状態の図２のフィルタのシミュレーションした応答の周波数に対する透過および反射散乱Ｓパラメータのグラフを示す。
【図５】図５は、図２のフィルタスイッチの出力応答対時間のグラフを出力するＷＲＳｐｉｃｅシミュレーションを示す。
【図６−７】図６は、−９０ｄＢｍの駆動電力でのスイッチにおける信号伝達対周波数のグラフを示し、図７は、入力電力に応じた単一周波数における「オン」状態のスイッチを通る信号伝送電力のグラフを示す。
【図８】図８は、誘導性Ｋインバータを用いた通常の結合共振器フィルタの概略図を示す。
【図９】図９は、超伝導スイッチシステムの他の例のブロック概略図を示す。
【図１０】図１０は、「オン」状態の図９のフィルタのシミュレーションした応答の周波数に対する透過及び反射散乱Ｓパラメータのグラフを示す。
【図１１】図１１は、「オフ」状態の図９のフィルタのシミュレーションした応答の周波数に対する透過及び反射散乱Ｓパラメータのグラフを示す。
【図１２】図１２は、広帯域スイッチに用いられる３次チェビシェフ・プロトタイプ（Chebyshev prototype）の概略図である。
【図１３】図１３は、「オン」状態の広帯域スイッチとして構成された図１２のフィルタのシミュレーションした応答の周波数に対する透過及び反射散乱Ｓパラメータのグラフを示す。
【図１４】図１４は、「オフ」状態の広帯域スイッチとして構成された図１２のフィルタのシミュレーションした応答の周波数に対する透過及び反射散乱Ｓパラメータのグラフを示す。
【図１５】図１５は、超伝導スイッチシステムを提供する方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本開示は、概して超伝導回路に関し、より詳細には、超伝導スイッチシステムに関する。超伝導スイッチシステムは、フィルタ回路網の複数のセクションを結合および分離する可変インダクタンス結合器（可変インダクタンス結合素子とも呼ばれる）を含むことができる。一例では、可変インダクタンス結合器は、超伝導量子干渉デバイス（Superconducting Quantum Interference Device : SQUID）の素子である。ＳＱＵＩＤは、超伝導ループ内にすべて配置された可変インダクタンス結合器の反対側に結合された第１のインダクタおよび第２のインダクタを含むことができる。可変インダクタンス結合器は、例えば、ジョセフソン接合を流れる電流に基づいて可変するインダクタンスを有するジョセフソン接合（Josephson junction）とすることができる。ジョセフソン接合を流れる電流は、例えばバイアス素子によってＳＱＵＩＤに印加される磁束に基づいて誘導（induced）され得る。
【０００８】
一例では、ジョセフソン接合は、ＳＱＵＩＤに電流が誘導されないかまたは低電流が誘導されているときには第１のインダクタンスを有し、ＳＱＵＩＤに所定の閾値で電流またはより大きな電流が誘導されたときには第２のインダクタンスを有する。ＳＱＵＩＤに誘導される所定の閾値電流は、例えば約０．１F０より大きく約０．４５F０より小さいバイアス素子からＳＱＵＩＤへの磁束（flux）を印加した結果であり、ここで、F０は磁束量子（flux quantum）である。第１のインダクタンスは、ジョセフソン接合を誘導電流が流れていないときには、ジョセフソン接合の受動インダクタンスとすることができる（例えば、
【０００９】
【数１】
0006379298.tif 000002
ｅは電気素量（elementary charge）であり、ＩＣはジョセフソン接合の臨界電流（critical current）である）。これにより、超伝導スイッチシステムが入力信号の所望の帯域部分を通過させる「オン」状態になるように、フィルタ回路網の第１のセクションとフィルタ回路網の第２のセクションとの間を結合させる。第２のインダクタンス（例えば、大きなインダクタンス値）は、超伝導スイッチシステムが入力信号を抑制する「オフ」状態になるように、フィルタ回路網の第１のセクションと第２のセクションとの間の分離（decoupling）を提供することができる。
【００１０】
図１は、超伝導スイッチシステム１０の一例を示す。超伝導スイッチシステム１０は、入力信号ＳＩＧＩＮのスイッチ制御を提供するために様々な超伝導回路システムのいずれかを具体化され得る。一例として、入力信号ＳＩＧＩＮは、量子ビット（ｑｕｂｉｔ）に基づくゲート動作または読み出し動作を実行するなど、量子回路の制御方式において具体化されるマイクロ波信号であってもよい。別例として、入力信号ＳＩＧＩＮは、信号パルスまたは他のタイプの信号であってもよい。超伝導スイッチシステム１０は、超伝導システムが「オン」状態（すなわち、パス状態）である場合に、入力信号ＳＩＧＩＮの所望の部分（例えば、特定の周波数帯域）に対応する帯域通過フィルタリングされた出力信号ＳＩＧＯＵＴを提供することができる。さらに、入力信号ＳＩＧＩＮのスペクトルの全ては、「オフ」状態（抑制状態）のときに入力信号ＳＩＧＩＮの所望の部分が出力信号として供給されないように、抑制または阻止され得る。超伝導スイッチシステム１０は、１つ以上の入力共振器（input resonator）としてフィルタ回路網（filter network）１２の入力部分と、１つ以上の出力共振器（output resonator）としてフィルタ回路網１２の出力部とを構成する１つ以上のインピーダンス要素（すなわち、コンデンサ、抵抗器、インダクタ）を有するフィルタ回路網１２を含む。１つまたは複数の入力共振器および出力共振器の少なくとも１つは、短絡終端伝送線路スタブ（short-terminated transmission line stubs）として具体化することができる。
【００１１】
フィルタ回路網１２はまた、可変インダクタンス結合器（例えば、ジョセフソン接合）を備えたＳＱＵＩＤ１８を含む。ＳＱＵＩＤ１８はまた、ＳＱＵＩＤ１８の超伝導ループの要素と、１つまたは複数の入力共振器および／または１つまたは複数の出力共振器のインピーダンス要素との両方として動作する１つまたは複数の要素を含む。バイアス素子１６がＳＱＵＩＤ１８に誘導結合されて、ＳＱＵＩＤ１８に電流を誘導する。ＳＱＵＩＤ１８に誘導される電流の変化によって、可変インダクタンス結合器のインダクタンスが変化する。
【００１２】
例えば、ＳＱＵＩＤ１８の超伝導ループに誘導電流がほとんど誘導されていない場合または低い誘導電流が誘導される場合に、可変インダクタンス結合素子のインダクタンスは、可変インダクタンス結合素子のインダクタンスが小さくなるように、第１のインダクタンス状態に変化され得る。可変インダクタンス結合素子が第１のインダクタンス状態にあるとき、回路網の第１の部分は、フィルタ回路網の第２の部分に結合され、超伝導スイッチシステム１０は「オン」状態にある。代替的に、例えば、（ＳＱＵＩＤにおける磁束量子の半分の実質的な割合（substantial fraction）の誘導によって生じる）実質的な電流がＳＱＵＩＤ１８の超伝導ループに誘導される場合に、可変インダクタンス結合素子のインダクタンスは、可変インダクタンス結合素子のインダクタンスが高くなるように、第２のインダクタンス状態に変更され得る。可変インダクタンス結合素子が高インダクタンス状態にあるとき、回路網の第１の部分は、フィルタ回路網の第２の部分から切り離されており、超伝導スイッチシステム１０は「オフ」状態にある。バイアス素子１６は、バイアス素子１６へのバイアス電流量を制御するスイッチコントローラ１４によって制御され、バイアス素子１６は、ＳＱＵＩＤに印加される磁束量およびＳＱＵＩＤ１８に誘導され可変インダクタンス結合器を流れる電流量を制御する。
【００１３】
図２は、単極単投（single-pole-single-throw: SPST）マイクロ波スイッチとして構成されたフィルタ回路網３２を有する超伝導スイッチシステム３０の一例を示す。図２の例では、２セクション結合共振器バンドパスフィルタ（two-section coupled-resonator band-pass filter）は、ジョセフソン接合Ｊ１の形態の調整可能なインダクタンス結合器を有する無線周波数ＳＱＵＩＤ３４とともに組み込まれている。ＳＱＵＩＤ３４は、ジョセフソン接合Ｊ１の反対側に結合された第１のインダクタＬ１および第２のインダクタＬ２を含むことができ、第１および第２のインダクタの対向する端部は、共通電位に結合されて超伝導ループを形成する。第１のインダクタＬ１は、バンドパスフィルタの入力共振器の他の要素とともに入力極（input pole）を形成するように用いられ、第２のインダクタＬ２は、バンドパスフィルタの出力共振器の他の要素とともに出力極（output pole）を形成するように用いられる。この例では、入力共振器は、第１のコンデンサＣ１と、インダクタＬＳ１と、第１のインダクタＬ１とから構成されている。
【００１４】
入力信号（ＳＩＧＩＮ）は、入力端子（ＩＮ）で入力共振器に入力結合コンデンサＣＩＣを介して供給される。出力共振器は、第２のコンデンサＣ１と、インダクタＬＳ２と、第２のインダクタＬ２とから構成されている。出力信号（ＳＩＧＯＵＴ）は、出力端子（ＯＵＴ）で出力共振器から出力結合コンデンサＣＯＣを介して供給される。入力結合コンデンサＣＩＣおよび出力結合コンデンサＣＯＣは、ＳＱＵＩＤ３４の超伝導ループを流れる電流が、ＳＱＵＩＤ３４内に残って回路の他の部分に流れないように分離（isolated）されることを保証している。
【００１５】
ジョセフソン接合Ｊ１は、ジョセフソン接合Ｊ１を流れる誘導電流に基づいて変化するインダクタンスを有する。バイアスインダクタＬＢは、ＳＱＵＩＤ３４に磁束を印加して誘導電流を誘導するために、ＳＱＵＩＤ３４に誘導結合される。バイアスインダクタＬＢは、スイッチコントローラ３６によって制御可能であり、スイッチコントローラ３６は、バイアスインダクタＬＢへのバイアス電流ＩＢの量を制御し、ジョセフソン接合Ｊ１を流れるＳＱＵＩＤ３４の誘導電流ＩＩＮＤの量を制御する。ジョセフソン接合Ｊ１は、入力共振器がジョセフソン接合Ｊ１を介してフィルタ回路網３２の出力共振器に結合されるように、ＳＱＵＩＤに電流が誘導されないかまたは低電流が誘導されるとき、第１の誘導状態（inductive state）を有する。ジョセフソン接合Ｊ１は、所定のより高い電流がジョセフソン接合Ｊ１を流れるときなどで、第２の誘導状態を有する。第２の誘導状態は、入力共振器を出力共振器から本質的に分離し、入力信号が出力信号として供給されるのを抑制する高インダクタンスである。
【００１６】
図２の例では、第１の磁束が、ジョセフソン接合Ｊ１およびインダクタＬ１およびＬ２によって定義されるＲＦ  ＳＱＵＩＤループ３４に印加されると、第１の誘導電流が、ジョセフソン接合Ｊ１を流れ、第１のインダクタンス値を有するジョセフソン接合Ｊ１となる。この第１のインダクタンス状態は、回路全体がその通過帯域において低い挿入損失（low insertion loss）を有するバンドパスフィルタとして機能するように構成され得る。この場合、超伝導スイッチシステム１０は、「オン」状態にあると呼称される。第２の磁束がＲＦ  ＳＱＵＩＤループに印加されると、より高い第２の電流が、ジョセフソン接合Ｊ１に誘導され、そのインダクタンス値を増加させ、入力段と出力段との間の誘導結合をゼロにさせる。入力共振器と出力共振器とから形成されたバンドパスフィルタの２つのセクションは、フィルタが反射するのでフィルタ回路が全体的に全周波数で高い反射損失を有するように、互いに分離される。この場合、超伝導スイッチシステム３０は、「オフ」状態にあると呼称される。一例では、印加される第１の磁束は、ゼロまたはそれに近い値であり、印加される第２の磁束は、磁束量子の半分のかなりの割合（例えば、約０．１F０から約０．４５F０）である。
【００１７】
図３〜図４は、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｓｙｓｔｅｍ（ＡＤＳ）を使用した図２のフィルタスイッチ３２のシミュレーションのグラフ応答を示す。このシミュレーションでは、ジョセフソン接合Ｊ１は、低い駆動電力においてそのジョセフソン・インダクタンスに対応する線形インダクタとして扱われる。シミュレーションされた要素の値は、ＬＳ１＝ＬＳ２＝６０ｐＨ、Ｌ１＝Ｌ２＝１６９ｐＨ、Ｃ１＝Ｃ２＝１．１９ｐＦ、ＣＩＣ＝ＣＯＣ＝０．６５９ｐＦ、およびジョセフソン接合に対応するインダクタンスＬＪ１＝３７５ｐＨである。図３は、約１０ＧＨｚを中心とする２ＧＨｚの通過帯域を示す「オン」状態のフィルタスイッチ３２のＳ２１およびＳ１１を示す利得対周波数のグラフ４０を示す。Ｓ２１パラメータが信号伝達プロット４２に示され、Ｓ１１パラメータが信号反射プロット４１に示されている。フィルタスイッチ３２は、所定の磁束をＲＦ  ＳＱＵＩＤループに印加することによって「オフ」状態になってジョセフソン接合部Ｊ１のインダクタンスを増加させる。ＲＦ  ＳＱＵＩＤの増加する実効インダクタンスは、ジョセフソン接合のインダクタンスの値を３０倍に上げることによって、利得対周波数を示す図４に示すグラフ４５においてモデル化される。Ｓ２１パラメータは信号伝達プロット４６に示され、Ｓ１１パラメータは信号反射プロット４７に示されている。Ｓ２１パラメータの全体的な抑制、特に通過帯域における伝送の２０ｄＢの低減が実現される。
【００１８】
図５は、図２のフィルタスイッチ３２の時間に対する出力応答のグラフ５０を出力するＷＲＳｐｉｃｅシミュレーションを示す。すべての要素の値は上記したものと同じである。磁束のバイアスは、スイッチコントローラ３６を介して、電流Ｉｂとバイアス成分ＬＢとによりＲＦ  ＳＱＵＩＤに印加される。入力波形は、−１２０ｄＢｍの出力で１０ＧＨｚの正弦波であり、磁束バイアス波形５４は、形状が区分的に線形であり、負荷終端（フィルタ出力）における電圧は、出力波形５２として示されている。０〜０．３７F０の磁束バイアススイープ応答で示されるように、出力電圧は、３０ｄＢ以上のスイッチＯＮ／ＯＦＦ比に対応して８０倍以上に変化する。
【００１９】
また、ハーモニック・バランス・シミュレーション（harmonic-balance simulation）が、ジョセフソン接合を非線形インダクタとして扱う図２の回路に関してＡＤＳで実行されている。このシミュレーションは、ジョセフソン接合を含む回路で期待されるスイッチ性能の電力依存性を捕捉する。図６は、−９０ｄＢｍの駆動電力におけるスイッチ対周波数の信号伝達のグラフ６０を示す。図７は、入力電力および大きな振幅Ｓ２１を関数とした単一周波数でスイッチを「オン」状態にする信号伝達の電力のグラフ６２を示す。図６に示すシミュレーションは、スイッチがその「ＯＮ」状態の応答に対して劣化することなく、−９０ｄＢｍまでの入力電力を処理できることを示している。オフ状態のアイソレーションは、回路モデルのトランジェント解析（transient analysis）に従って約−８０〜−８５ｄＢｍで劣化し始める。「オフ」状態で印加された磁束は、これらの出力レベルでのスイッチ性能を改善するように調整され得る。
【００２０】
特定の例について、超伝導スイッチシステムを提供するためにフィルタ回路網に組み込まれたＲＦ  ＳＱＵＩＤの利用が示されている。しかし、超伝導スイッチシステムを提供するためにフィルタ回路網に組み込まれたＲＦ  ＳＱＵＩＤの利用は、様々な異なるフィルタトポロジで用いられる。例えば、集中定数（lumped-element）と、フィルタの中心周波数と一致する周波数を有する共振器がアドミタンス（Ｊ）またはインピーダンス（Ｋ）のインバータを介して結合される結合共振器トポロジー（coupled-resonator topology）と、インバータの結合係数とは、所望の応答（例えば、チェビシェフ（Chebyshev）、マックスフラット（max-flat）など）を具体化するために、集約されたフィルタプロトタイプ（tabulated filter）に関連している。インバータの少なくとも１つは、「ｐｉ」回路トポロジーを有するインダクティブ回路網（inductive network）として具体化され得る。ｐｉ型インバータの直列インダクタを、インバータがＲＦ  ＳＱＵＩＤになるようにジョセフソン接合で置き換えることができる。
【００２１】
例えば、図８は、誘導性Ｋインバータを用いた包括的結合共振器フィルタ（generic coupled resonator filter）７０の概略図を示す。回路要素は、所望の応答を提供するために、集約フィルタプロトタイプに従って計算され得る。図８の回路７０は、直列インダクタおよびコンデンサを代用することによって修正され、各コンデンサ間にインダクタのＴ型回路網（T-networks）を形成する。次に、Ｔ型回路網は、ｐｉ型回路網に変換されてＲＦ  ＳＱＵＩＤ構成を統合し、結果として得られる直列インダクタの少なくとも１つをジョセフソン接合に置き換えることができる。
【００２２】
一例として、「２」の次数を有する図８のフィルタタイプに関して、超伝導スイッチシステム８０の別例の回路図が図９に示されており、ＲＦ  ＳＱＵＩＤループ８４は、接合部ＪＡおよびインダクタＬＡおよびＬＢによって形成される。インダクタＬＡは、インダクタＬＨ１およびコンデンサＣＡとともに入力共振器の入力極（input pole）を形成するように用いられ得る。インダクタＬＢは、インダクタＬＨ２およびコンデンサＣＢとともに出力共振器の出力極（output pole）を形成するように用いられ得る。入力信号（ＳＩＧＩＮ）は、入力端子（ＩＮ）で入力共振器に入力結合インダクタＬＪ１を介して供給される。出力信号（ＳＩＧＯＵＴ）は、出力端子（ＯＵＴ）で出力結合インダクタＬＪ２を介して出力共振器から供給される。またコンデンサＣＡおよびコンデンサＣＢは、ＲＦ  ＳＱＵＩＤ８４の超伝導ループを通って流れる誘導電流を回路の他の部分から分離するための結合コンデンサとして機能する。
【００２３】
バイアスインダクタＬＢ２は、ＳＱＵＩＤ８４に誘導結合されてＳＱＵＩＤ８４に電流を誘起する。バイアスインダクタＬＢ２は、バイアスインダクタＬＢ２へのバイアス電流ＩＢ２の量を制御するスイッチコントローラ８６によって制御され、ジョセフソン接合ＪＡを流れるＳＱＵＩＤ８４内の誘導電流ＩＩＮＤの量を制御する。ジョセフソン接合ＪＡは、ジョセフソン接合ＪＡを流れる誘導電流に基づいて可変するインダクタンスを有する。ジョセフソン接合ＪＡは、ＳＱＵＩＤ８４に電流が無いかまたは低電流が流れるときに第１のインダクタンス状態を有することができ、入力信号の所望の部分は、ジョセフソン接合ＪＡを介してフィルタ回路網８２を通過して出力信号として供給される。ジョセフソン接合ＪＡは、入力信号が出力信号として供給されることを抑制するフィルタ回路網８２の出力部分からフィルタ回路網８２の入力部分を実質的に切り離す第２のインダクタンス状態を有する。この特定の例では、複数の回路パラメータは、ＬＨ１＝ＬＨ２＝１０４ｐＨ、ＬＪ１＝ＬＪ２＝４６．０ｐＨ、ＬＡ＝ＬＢ＝１３２ｐＨ、ＣＡ＝ＣＢ＝１．７４ｐＦ、および臨界電流Ｉ０＝０．５８μＡに対応する接合有効インダクタンスＬＪ＿Ａ＝５６６ｐＨである。図１０は、「オン」状態におけるこのフィルタのシミュレーションした応答の利得対周波数のグラフ９０を示す。Ｓ２１パラメータは、信号伝達プロット９２に示され、Ｓ１１パラメータは、信号反射プロット９１に示される。図１１は、「オフ」状態におけるこのフィルタのシミュレーションした応答の利得対周波数のグラフ９５を示す。Ｓ２１パラメータは、信号伝達プロット９６に示され、Ｓ１１パラメータは、信号反射プロット９７に示される。
【００２４】
別例として、４０％の帯域幅スイッチ（bandwidth switch）１００は、図１２に示すトポロジーを有する３次のチェビシェフ・プロトタイプに基づいて提供され得る。図１２のインダクタＬ１は、ジョセフソン接合で置き換えることができ、ＲＦ  ＳＱＵＩＤが、共振器ＰＬＣ８およびＰＬＣ９のシャント・インダクタンス（shunt inductance）とＬ１との組み合わせによって形成される。図１３は、ジョセフソン接合が線形インダクタによって近似された「オン」状態におけるこの構成のＳパラメータシミュレーションの結果のグラフ１１０を示す。Ｓ２１パラメータは信号伝達プロット１１１に示され、Ｓ１１パラメータは信号反射プロット１１２に示される。図１４は、ジョセフソン接合が線形インダクタによって近似された「オフ」状態におけるこの構成のＳパラメータシミュレーションの結果のグラフ１２０を示す。Ｓ２１パラメータは信号伝達プロット１２１に示され、Ｓ１１パラメータは信号反射プロット１２２に示される。
【００２５】
要するに、ＲＦ  ＳＱＵＩＤ調整可能インダクタンス結合器（tunable inductance coupler）は、２０ｄＢのオン／オフ比、４０％までの帯域幅、および−８５ｄＢｍまでの入力電力を有するマイクロ波スイッチを具体化するために結合共振器バンドパスフィルタに組み込むことができる。スイッチは、ＳＦＱ制御と互換性のある方法で、ＲＦ  ＳＱＵＩＤへの磁束の印加によって作動される。
【００２６】
上記の構造的および機能的特徴を考慮して、本発明の様々な態様による方法論は、図２を参照することにより、より良く理解されるであろう。説明を簡単にするために、図１５の方法は、連続して実行されるものとして示され、説明されているが、本発明によれば、いくつかの態様が、異なる順序で、および／または本明細書に示され説明された態様から他の態様と同時に起こり得るので、本発明は図示された順序に限定されないことを理解および認識されたい。さらに、本発明の一態様による方法を具体化するために図示された全ての特徴が必要とされるわけではない。
【００２７】
図１５は、超伝導スイッチシステムを提供するための方法１５０を示す。この方法は１５２で始まり、入力信号をスイッチを介して出力信号として通過させるか、または入力信号がスイッチの出力に流れるのを抑制するために所望の通過帯域出力が決定される。１５４において、所望のバンドパスフィルタトポロジが、超伝導スイッチを提供するために決定される。前述したように、様々な異なるフィルタトポロジは、所望の通過帯域出力応答に基づいて超伝導スイッチシステムを提供するように選択され得る。１５６において、ＲＦ  ＳＱＵＩＤ挿入点（insertion point）が、選択されたフィルタトポロジに基づいて決定される。その後、方法は１５８に進む。
【００２８】
１５８において、１つ以上の入力共振器および１つ以上の出力共振器の要素の値が、決定されたバンドパスフィルタトポロジおよびＲＦ  ＳＱＵＩＤ挿入点に基づいて所望のバンドパス出力を提供するように選択される。このことは、共振器が、アイソレーションコンデンサ（isolation capacitor）を含むことを保証し、ＳＱＵＩＤを流れる電流が回路の他の部分に流れ込まないことを保証する。ＳＱＵＩＤは、可変インダクタンス結合素子（例えば、ジョセフソン接合）の反対側に結合された第１および第２のインダクタを含み得る。１６０において、ＲＦ  ＳＱＵＩＤの要素の値は、ＳＱＵＩＤの線形インダクタンスが可変インダクタンス素子のインダクタンスを超えないことを保証することによって制約される１つ以上の出力共振器の要素の値と、所望のバンドパス出力に基づいて決定される。
【００２９】
ＳＱＵＩＤの線形インダクタンスが可変インダクタンス素子のインダクタンスを超えないことを保証することにより、ＲＦ  ＳＱＵＩＤの電位が単安定（monostable）になることを保証する。１６２において、超伝導スイッチシステムは、上記の選択された構成要素を有するマイクロ波スイッチと、バイアスインダクタと、バイアスインダクタを駆動してＳＱＵＩＤに電流を誘導するためのスイッチコントローラと含んで構成されて、可変インダクタンス結合素子の値を、入力信号の所望の通過帯域を通過させる通過状態と、入力信号を抑制するための抑制状態との間で変化させることができる。
【００３０】
上記した事項は、本発明の例である。本発明を説明する目的で構成要素または方法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内のそのような変更、修正、および変形をすべて包含することが意図されている。
以下に、上記各実施形態から把握できる技術思想を記載する。
（付記１）
超伝導スイッチシステムであって、
入力端子と出力端子とを有するフィルタ回路網と、
前記入力端子と前記出力端子との間に結合された超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）であって、前記超伝導量子干渉デバイスは、ジョセフソン接合と、該ジョセフソン接合の第１の端部に結合された第１のインダクタと、該ジョセフソン接合の第２の端部に結合された第２のインダクタとを含み、前記第１および第２のインダクタの対向する端部が共通電位に結合されて超伝導ループを形成する、前記超伝導量子干渉デバイスと、
前記超伝導ループを流れる誘導電流量を制御して、前記ジョセフソン接合を、前記入力端子に供給された入力信号の所望の帯域部分が前記出力端子に供給される第１のインダクタンス状態と、前記入力端子に供給された入力信号の所望の帯域部分が前記出力端子に流れることが抑制される第２のインダクタンス状態との間でスイッチングするスイッチコントローラと、を備える超伝導スイッチシステム。
（付記２）
第１のインダクタおよび１つまたは複数の追加のインピーダンス構成要素から構成される１つまたは複数の入力共振器と、
第２のインダクタおよび１つまたは複数の追加のインピーダンス構成要素から構成される１つまたは複数の出力共振器と、をさらに備える付記１に記載の超伝導スイッチシステム。
（付記３）
前記１つまたは複数の入力共振器および前記１つまたは複数の出力共振器のうちの少なくとも１つは、短絡伝送線路スタブとして実装される、付記２に記載の超伝導スイッチシステム。
（付記４）
入力共振器が、第３のインダクタと直列に結合され且つ第１のコンデンサと並列に結合された前記第１のインダクタから構成され、
出力共振器が、第４のインダクタと直列に結合され且つ第２のコンデンサと並列に接続された前記第２のインダクタから構成される、付記２に記載の超伝導スイッチシステム。
（付記５）
入力共振器が、第１のコンデンサと直列に結合され且つ第３のインダクタと並列に結合された前記第１のインダクタから構成され、
出力共振器が、第２のコンデンサと直列に結合され且つ第４のインダクタと並列に結合された前記第２のインダクタから構成される、付記２に記載の超伝導スイッチシステム。
（付記６）
前記入力端子と前記第３のインダクタとの間の入力結合インダクタと、前記出力端子と前記第４のインダクタとの間の出力結合インダクタとをさらに備える付記５に記載の超伝導スイッチシステム。
（付記７）
バイアス素子を流れる電流に基づいて前記超伝導量子干渉デバイスに電流を誘導するために、前記超伝導量子干渉デバイスに誘導結合されたバイアス素子をさらに備える付記１に記載の超伝導スイッチシステム。
（付記８）
前記スイッチコントローラは、
前記第１のインダクタンスを提供するために、前記超伝導量子干渉デバイスに電流を実質的に誘導しないかまたは低電流を誘導する前記バイアス素子に電流を供給すること、および
前記第２のインダクタンスを提供するために、所定の第２の電流を前記超伝導量子干渉デバイスに実質的に誘導する前記バイアス素子に電流を供給すること、を切り替え、
前記超伝導スイッチシステムは、前記第１のインダクタンスで「オン」状態にあり、前記第２のインダクタンスで「オフ」状態にある、付記７に記載の超伝導スイッチシステム。
（付記９）
前記入力端子と前記超伝導量子干渉デバイスとの間に結合された入力結合コンデンサと、
前記出力端子と前記超伝導量子干渉デバイスとの間に結合された出力結合コンデンサと、をさらに備え、
前記入力結合コンデンサと前記出力結合コンデンサとは、前記超伝導量子干渉デバイスを流れる電流が、前記フィルタ回路網の他の部分を流れることから分離される、付記１に記載の超伝導スイッチシステム。
【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６−７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【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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