(57)【要約】【課題】  微弱なマイクロ波信号に対して、高い信号雑音比でバイナリ位相検出する手段を与える。【解決手段】  検波したい信号を共振器に入力した状態で、共振器をパラメトリック発振させる。パラメトリック発振の二つの位相状態は、入力信号の位相に依存していることを利用して、発振信号の位相を検波することで、入力信号の位相情報を得ることが出来る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの位相状態を備えたパラメトリック発振を行う共振器と、当該共振器に入力信号を入力する入力回路とを備え、前記共振器のパラメトリック発振の２つの位相状態の安定性が、前記入力信号の位相に依存すること利用して、前記入力信号の位相を検出することを特徴とする位相検出器。
【請求項２】
請求項１において、前記共振器はＬＣ共振回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ、及び、磁束バイアスラインを含んでいることを特徴とする位相検出器。
【請求項３】
請求項２において、前記磁束バイアスラインには、交流信号が与えられ、前記入力信号が与えられると、前記共振器は、前記入力信号の位相に応じて、前記パラメトリック発振の２つの位相状態のうち、前記安定性を有する一方の位相状態のパラメトリック発振を行うことを特徴とする位相検出器。
【請求項４】
検波すべき入力信号を受ける入力ポートを備え、前記入力信号の位相を測定する測定部と、前記入力信号を受け、互いに異なる２つの発振状態でパラメトリック発振を行う共振器を有し、前記共振器は、前記入力検波信号の位相に依存した位相状態安定性を有するパラメトリック発振信号を出力し、前記測定部は、前記位相状態安定性を有するパラメトリック発振信号から前記入力検波信号の位相をデジタル的に検出することを特徴とする位相検出器。
【請求項５】
請求項４において、前記共振器は、前記測定部に結合する結合容量と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤを含むＬＣ共振回路と、前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤを磁束バイアスするバイアスラインを有することを特徴とする位相検出器。
【請求項６】
請求項５において、前記ＬＣ共振回路は、静電容量とインダクタンスを有する分布定数回路を備え、前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤは前記分布定数回路に接続されていることを特徴とする位相検出器。
【請求項７】
請求項５において、前記ＬＣ共振回路は、静電容量とインダクタンスを有する集中定数回路を備え、前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤは前記集中定数回路に接続されていることを特徴とする位相検出器。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか一項において、前記バイアスラインは、前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤと誘導的に結合され、交流信号を流すことにより、前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤの磁束及び前記ＬＣ共振回路の共振周波数を制御することを特徴とする位相検出器。
【請求項９】
請求項４〜８の何れか一項において、前記測定部は、前記入力ポートと前記結合容量にそれぞれ接続された第１及び第２のポートを有すると共に、第３のポートを含むサーキュレータと、前記第３のポートに接続された増幅器と、前記増幅器の出力をホモダイン検波するミキサとを有することを特徴とする位相検出器。
【請求項１０】
請求項９において、前記ミキサには、前記バイアスラインに印加される交流信号と同一の位相を有する交流信号が局部発信信号として与えられていることを特徴とする位相検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パラメトリック発振を用いた位相検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子情報処理分野の研究の発展により、微弱なマイクロ波信号を検波する技術の需要が高まっている。
【０００３】
その一例として、非特許文献１には、量子ビットの分散読出しの技術が記載されている。そこでは、超伝導状態の量子ビットとマイクロ波共振器を結合させ、共振器の共振周波数が量子ビットの状態によって変化することを利用する。
【０００４】
共振周波数を測定するためには、共振周波数付近のマイクロ波パルスで共振器を駆動し、その応答パルスの振幅や位相を検波する必要がある。
【０００５】
しかし、量子ビットのコヒーレンスの問題から、マイクロ波パルスの強度は、共振器中の平均光子数にして１程度に制限され、また、マイクロ波パルスの長さも、量子ビットの緩和時間（〜１マイクロ秒）以内に制限される。
【０００６】
従って、非特許文献１に記載された技術では、非常に微弱なマイクロ波パルスを単一試行で検波することは困難である。
【０００７】
一方、特許文献１は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素として持つＬＣ共振器と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤを直流磁束バイアスする磁束バイアスラインとを備えたパラメトリック増幅器を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２２５２１３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】フィジカルレビューレターズ、（米国）、２００５年４月１日、第９４巻、ｐ．１２３６０２
【非特許文献２】フィジカルレビュー・ビー、（米国）、２００６年１２月、第７４巻、ｐ．２２４５０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
通常、マイクロ波を検波するためには、ＨＥＭＴなどの低雑音増幅器を用いて信号を増幅した後、ホモダイン検波が行われる。しかし、量子ビット分散読出しの例のように、信号強度、積分時間が著しく制限される場合、この方法は信号雑音比の点で必ずしも十分ではない。
【００１１】
実際、線形な共振器を用いた量子ビットの分散読出しにおいては、単一試行（単一パルス）で高効率の読出しは実現されていない。
【００１２】
ところで、ホモダイン検波では、信号の振幅、位相が連続量として決定されるが、常にこれが必要とは限らない。例えば、量子ビット読出しの例では、０または１という量子ビットの２状態を判別できれば十分で、通常、それらはマイクロ波パルスの位相がある閾値より上か下かに関連付けられる。
【００１３】
また、二位相偏移変調(ＢＰＳＫ)信号のように、デジタル情報が二つの位相状態として変調されている信号を検波する場合も、同様である。
【００１４】
一方、特許文献１には、ｄｃ−ＳＱＵＩＤを直流磁束バイアスする構成を備え、直流磁束バイアスによって共振器の共振周波数を変化させるパラメトリック増幅器が開示されている。しかしながら、特許文献１は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤを用いたパラメトリック増幅器を記載しているだけであり、入力信号の位相を検出することについて全く示唆していない。
【００１５】
本発明の目的は、上述のように位相のバイナリ検出ができれば十分な状況で、微弱なマイクロ波信号に対して、高い信号雑音比でバイナリ位相検出する位相検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素に含むＬＣ共振器、ｄｃ−ＳＱＵＩＤを磁束バイアスするためのバイアスライン、パラメトリック発振に伴う位相状態の安定性と、入力信号の位相との関係を利用して、前記入力信号の位相を測定するための測定部から構成された位相検波器が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、パラメトリック発振の二つの位相状態の安定性が、入力信号の位相に依存することを利用し、特に、微弱な信号の位相バイナリ検出器が得られる。ここで、微弱な信号とは、上記非特許文献１に記載されているような量子ビットの分散読出し法において、共振器を透過または共振器から反射してくる量子ビット情報を含むマイクロ波信号である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】パラメトリック発振状態における二つの位相状態と、ポンプ周波数、シグナル周波数の関係を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る位相検出器を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の原理： 
ｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成要素に含むＬＣ共振器の共振周波数は、ＳＱＵＩＤのループを貫く磁束に依存している。この磁束を、静的な共振周波数の２倍の周波数で交流バイアス（ポンプ）した時、ポンプ強度がある一定以上になると、共振器は発振状態（パラメトリック発振）となり、ポンプ周波数の半分の周波数、即ち、共振周波数の信号が自発的に発生する。この発振状態の位相には、二つの可能性がある。
【００２０】
それらは、ポンプをAp*cos(2ω0t)とした時、Aｓ*cos(ω0t)（以下、０π発振状態と呼ぶ）とAｓ*cos(ω0t + π)（以下、１π発振状態と呼ぶ）で表され、お互いに位相がπずれた状態である（図１）。
【００２１】
本発明は、共振器に入射する信号がない場合、両者はエネルギー的に等価で、等しい確率でどちらか一方の状態が実現するが、入射信号（入力信号）がある場合、二つの発振状態はエネルギー的に等価ではなくなり、どちらかがより安定となると言う事実に基づいている。
【００２２】
具体的には、図１に示された０π発振状態を位相の基準とすると、角周波数ωを有するシグナルの位相が、０からπ／２の時は０π発振状態が安定となり、π／２から３π／２の時は１π発振状態が安定となり、３π／２から２πの時は再び０π発振状態が安定となる。
【００２３】
従って、本発明では、位相状態を知りたい信号を共振器に入射（入力）し、パラメトリック発振を起こした時の発振状態が０π発振状態であるか、１π発振状態であるかを判別することで、もとの信号の位相に関する情報を得ることが出来る。
【００２４】
即ち、０π発振状態が観測されれば、もとの信号の位相φは、｜φ｜＜π／２を満たし、１π発振状態が観測されれば、｜φ｜＞π／２となる。
【００２５】
パラメトリック発振の信号は、入射信号（入力信号）強度によらず、比較的大きな強度を持っているので、通常のホモダイン検波法などにより、０π発振状態と１π発振状態は容易に判別できる。
【００２６】
このことは、高い信号雑音比でバイナリ位相検波を行えると云う事実を示している。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
図２には、本発明を利用した位相検出器の具体例の模式図を示す。図示された位相検出器２０は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ（直流型超伝導磁束量子干渉素子）２０４を構成要素に含む共振器２１、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０４を磁束バイアスするためのバイアスライン２０５、発振信号の位相を測定するための測定部２２によって構成されている。共振器２１は、測定部２２と結合容量２０６によって結合されている。
【００２９】
この例では、共振器２１として、１／４波長の分布定数型共振器によって構成されたＬＣ共振器が使用している。このため、ＬＣ共振器は分布定数回路の静電容量２０２と、分布定数回路の自己誘導２０３とによって構成されている。
【００３０】
一方、測定部２２は、位相を検波したい信号を入力するためのポート２０１、サーキュレータ２０７、増幅器２０８、及びミキサ２０９によって構成され、ミキサ２０９は、ローカルオシレータ２１０に接続されている。また、磁束バイアスライン２０５には、局部発振信号の周波数を、周波数逓倍器２１１を用いて２倍にした信号が、ミキサ２０９に与えられる信号と位相同期した形で与えられている。
【００３１】
この構成において、ポート２０１に供給された入射信号（入力信号）はサーキュレータ２０７を経由して、結合容量２０６より共振器２１に与えられる。図示された共振器２１の中心導体は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０４を介して、グランドに接続されている。ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０４は並列に配置された２つのジョセフソン接合を備えており、図では、ジョセフソン接合が×印で示されている。
【００３２】
磁束バイアスライン２０５は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０４と誘導的に結合しているので、電流を印加することで、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０４のループを貫く磁束Φ、すなわち、共振器２１の共振周波数を制御することができる。バイアス磁束Φを変化させることによって共振周波数が変化することについては、非特許文献２に記載されている。
【００３３】
一方、直流電流成分によって決まる静的な共振周波数をｆ０とすると、２ｆ０の周波数をもち、且つ、共振器２１のＱ値で決まる閾値を超える振幅の交流電流を印加すると、パラメトリック発振が起こる。
【００３４】
この実施形態では、共振器２１で発生した発振信号は、サーキュレータ２０７を介して、ポート２０１に与えられた入力信号とは分離して増幅器２０８に与えられている。共振器２１における発振信号の位相は、本発明の原理で説明したように、ポート２０１より入力した入力信号の位相に応じて、０π発振状態と、１π発振状態に分かれる。即ち、パラメトリック発振の２つの位相状態の安定性が、入力信号の位相に依存して変化する。
【００３５】
このことを利用して、本発明では、発振信号をミキサ２０９によりホモダイン検波し、図示しない計測器で測定することで、入力信号の位相についてバイナリ検出が可能となる。
【００３６】
（変形例）
以下、上記実施の形態の変形例について説明する。
【００３７】
まず、共振器２１は分布定数回路に限らず、集中定数回路を用いても良い。また、図２に示された実施の形態において、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０４以外の部分は常伝導体で形成してもかまわない。更に、サーキュレータ２０７の代わりに方向性結合器を使用してもかまわない。
【符号の説明】
【００３８】
２０：  位相検出器
２１：  共振器
２０１：入力信号ポート
２０２：分布定数回路の静電容量
２０３：分布定数回路の自己誘導
２０４：ｄｃ−ＳＱＵＩＤ
２０５：磁束バイアスライン
２０６：結合容量
２０７：サーキュレータ
２０８：増幅器
２０９：ミキサ
２１０：ローカルオシレータ
２１１：周波数逓倍器
【図１】
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【図２】
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