(57)【要約】【課題】非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイスに基づく周波数変換を使用する４ポート・サーキュレータに関連する超伝導デバイスを提供する。【解決手段】第１の混合デバイスが、第１の混合ポートおよび第２の混合ポートを含んでいる。第２の混合デバイスが、別の第１の混合ポートおよび別の第２の混合ポートを含んでいる。第１および第２の混合デバイスは、非縮退の三波混合超伝導デバイスである。第１の混合ポートおよび別の第１の混合ポートは、第１の結合器に結合するように構成される。第２の混合ポートおよび別の第２の混合ポートは、第２の結合器に結合するように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の混合ポートおよび第２の混合ポートを含んでいる第１の混合デバイスと、
別の第１の混合ポートおよび別の第２の混合ポートを含んでいる第２の混合デバイスとを備えている超伝導デバイスであって、前記第１および第２の混合デバイスが、非縮退の三波混合超伝導デバイスであり、前記第１の混合ポートおよび前記別の第１の混合ポートが、第１の結合器に結合するように構成されており、前記第２の混合ポートおよび前記別の第２の混合ポートが、第２の結合器に結合するように構成されている、超伝導デバイス。
【請求項２】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが並列に結合されている、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項３】
前記第１の混合デバイスの前記第１の混合ポートおよび前記第２の混合デバイスの前記別の第１の混合ポートが第１の機能を有するように構成されている、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項４】
前記第１の混合デバイスの前記第２の混合ポートおよび前記第２の混合デバイスの前記別の第２の混合ポートが第２の機能を有するように構成されている、請求項３に記載の超伝導デバイス。
【請求項５】
前記第１の混合デバイスが第３の混合ポートを含んでおり、前記第２の混合デバイスが別の第３の混合ポートを含んでいる、請求項４に記載の超伝導デバイス。
【請求項６】
前記第１の混合デバイスの前記第３の混合ポートおよび前記第２の混合デバイスの前記別の第３の混合ポートが第３の機能を有するように構成されている、請求項５に記載の超伝導デバイス。
【請求項７】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが前記第１の結合器から信号を受信するように構成されている、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項８】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが、前記信号を前記第２の結合器に出力するように構成されており、前記信号が、前記第２の結合器が１つのポートを介して前記信号を出力するよう構成されるように、前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスによって変換されている、請求項７に記載の超伝導デバイス。
【請求項９】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが前記第２の結合器から信号を受信するように構成されている、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項１０】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが、前記信号を前記第１の結合器に出力するように構成されており、前記信号が、前記第１の結合器が１つのポートを介して前記信号を出力するよう構成されるように、前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスによって変換されている、請求項９に記載の超伝導デバイス。
【請求項１１】
前記第１の結合器および前記第２の結合器が９０度ハイブリッド結合器であるか、
前記第１の結合器が９０度ハイブリッド結合器であり、前記第２の結合器が１８０度ハイブリッド結合器であるか、または
前記第１の結合器が１８０度ハイブリッド結合器であり、前記第２の結合器が９０度ハイブリッド結合器である、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項１２】
超伝導デバイスを形成する方法であって、
第１の混合ポートおよび第２の混合ポートを含んでいる第１の混合デバイスを提供することと、
別の第１の混合ポートおよび別の第２の混合ポートを含んでいる第２の混合デバイスを提供することであって、前記第１および第２の混合デバイスが非縮退の三波混合超伝導デバイスである、前記提供することと、
前記第１の混合ポートおよび前記別の第１の混合ポートを第１の結合器に結合することと、
前記第２の混合ポートおよび前記別の第２の混合ポートを第２の結合器に結合することとを含んでいる、方法。
【請求項１３】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが並列に結合されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の混合デバイスの前記第１の混合ポートおよび前記第２の混合デバイスの前記別の第１の混合ポートが第１の機能を有するように構成されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の混合デバイスの前記第２の混合ポートおよび前記第２の混合デバイスの前記別の第２の混合ポートが第２の機能を有するように構成されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の混合デバイスが第３の混合ポートを含んでおり、前記第２の混合デバイスが別の第３の混合ポートを含んでいる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の混合デバイスの前記第３の混合ポートおよび前記第２の混合デバイスの前記別の第３の混合ポートが第３の機能を有するように構成されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが前記第１の結合器から信号を受信するように構成されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが、前記信号を前記第２の結合器に出力するように構成されており、前記信号が、前記第２の結合器が１つのポートを介して前記信号を出力するよう構成されるように、前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスによって変換されている、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが前記第２の結合器から信号を受信するように構成されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが、前記信号を前記第１の結合器に出力するように構成されており、前記信号が、前記第１の結合器が１つのポートを介して前記信号を出力するよう構成されるように、前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスによって変換されている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の結合器および前記第２の結合器が９０度ハイブリッド結合器であるか、
前記第１の結合器が９０度ハイブリッド結合器であり、前記第２の結合器が１８０度ハイブリッド結合器であるか、または
前記第１の結合器が１８０度ハイブリッド結合器であり、前記第２の結合器が９０度ハイブリッド結合器である、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
第１の信号合ポートおよび第２のアイドラー・ポートを含んでいる第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイスと、
別の第１の信号ポートおよび別の第２のアイドラー・ポートを含んでいる第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイスとを備えている超伝導４ポート・サーキュレータであって、前記第１および第２の混合デバイスが、非縮退の三波混合超伝導デバイスであり、前記第１の信号ポートおよび前記別の第１の信号ポートが、第１の結合器に結合するように構成されており、前記第２のアイドラー・ポートおよび前記別の第２のアイドラー・ポートが、第２の結合器に結合するように構成されている、超伝導４ポート・サーキュレータ。
【請求項２４】
超伝導４ポート・サーキュレータを形成する方法であって、
第１の信号ポートおよび第２のアイドラー・ポートを含んでいる第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイスを提供することと、
別の第１の信号ポートおよび別の第２のアイドラー・ポートを含んでいる第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイスを提供することであって、前記第１および第２の混合デバイスが非縮退の三波混合超伝導デバイスである、前記提供することと、
前記第１の信号ポートおよび前記別の第１の信号ポートを第１の結合器に結合することと、
前記第２のアイドラー・ポートおよび前記別の第２のアイドラー・ポートを第２の結合器に結合することとを含んでいる、方法。
【請求項２５】
超伝導４ポート・サーキュレータを動作させる方法であって、
第１の結合器のポートで信号を受信することであって、第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイスおよび第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイスが、前記第１の結合器および第２の結合器に並列に結合される、前記受信することと、
前記第２の結合器の事前に定義されたポートで前記信号を出力することとを含んでいる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、超伝導デバイスに関連している。より詳細には、本発明は、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス（nondegenerate three-wave mixing Josephson devices）に基づく周波数変換を使用する４ポート・サーキュレータに関連している。
【背景技術】
【０００２】
サーキュレータは、受動的な非可逆の３ポートまたは４ポート・デバイスであり、それらのいずれかのポートに入るマイクロ波または無線周波数信号は、順番に次のポート（のみ）に送信される。この文脈において、ポートは、外部の導波管または伝送線（マイクロストリップ・ラインまたは同軸ケーブルなど）がデバイスに接続される平面である。３ポート・サーキュレータの場合、ポート１に加えられた信号は、ポート２のみから外に出る。ポート２に加えられた信号は、ポート３のみから外に出る。ポート３に加えられた信号は、ポート１のみから外に出る。位相因子の範囲内で、理想周波数を維持する３ポート・サーキュレータの散乱行列は次のようになる。
【数１】
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サーキュレータは、超伝導回路において使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイスに基づく周波数変換を使用する４ポート・サーキュレータに関連する次の実施形態を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、超伝導デバイスを対象にする。超伝導デバイスの非限定的な例は、第１の混合ポートおよび第２の混合ポートを含んでいる第１の混合デバイスと、別の第１の混合ポートおよび別の第２の混合ポートを含んでいる第２の混合デバイスとを含む。第１および第２の混合デバイスは、非縮退の三波混合超伝導デバイスであり、第１の混合ポートおよび別の第１の混合ポートが、第１の結合器に結合するように構成されており、第２の混合ポートおよび別の第２の混合ポートが、第２の結合器に結合するように構成されている。
【０００５】
本発明の実施形態は、超伝導デバイスを形成する方法を対象にする。超伝導デバイスを形成する非限定的な例は、第１の混合ポートおよび第２の混合ポートを含んでいる第１の混合デバイスを提供することと、別の第１の混合ポートおよび別の第２の混合ポートを含んでいる第２の混合デバイスを提供することと含む。第１および第２の混合デバイスは、非縮退の三波混合超伝導デバイスである。この方法は、第１の混合ポートおよび別の第１の混合ポートを第１の結合器に結合することと、第２の混合ポートおよび別の第２の混合ポートを第２の結合器に結合することとを含む。
【０００６】
本発明の実施形態は、超伝導４ポート・サーキュレータ（superconducting four-port circulator）を対象にする。超伝導４ポート・サーキュレータの非限定的な例は、第１の信号ポートおよび第２のアイドラー・ポートを含んでいる第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイス（Josephson parametric device）と、別の第１の信号ポートおよび別の第２のアイドラー・ポートを含んでいる第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイスとを含む。第１および第２の混合デバイスは、非縮退の三波混合超伝導デバイスであり、第１の信号ポートおよび別の第１の信号ポートが、第１の結合器に結合するように構成されており、第２のアイドラー・ポートおよび別の第２のアイドラー・ポートが、第２の結合器に結合するように構成されている。
【０００７】
本発明の実施形態は、超伝導４ポート・サーキュレータを形成する方法を対象にする。超伝導４ポート・サーキュレータを形成する方法の非限定的な例は、第１の信号ポートおよび第２のアイドラー・ポートを含んでいる第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイスを提供することと、別の第１の信号ポートおよび別の第２のアイドラー・ポートを含んでいる第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイスを提供することとを含む。第１および第２の混合デバイスは、非縮退の三波混合超伝導デバイスである。また、この方法は、第１の信号ポートおよび別の第１の信号ポートを第１の結合器に結合することと、第２のアイドラー・ポートおよび別の第２のアイドラー・ポートを第２の結合器に結合することとを含む。
【０００８】
本発明の実施形態は、超伝導４ポート・サーキュレータを動作させる方法を対象にする。超伝導４ポート・サーキュレータを動作させる方法の非限定的な例は、第１の結合器のポートで信号を受信することを含んでおり、第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイスおよび第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイスが、この第１の結合器および第２の結合器と並列に結合される。この方法は、第２の結合器の事前に定義されたポートで信号を出力することを含む。
【０００９】
その他の技術的特徴および利点が、本発明の手法によって実現される。本発明の実施形態および態様は、本明細書において詳細に説明され、請求される対象の一部と見なされる。さらに良く理解するために、詳細な説明および図面を参照すること。
【００１０】
本明細書に記載された専有権の詳細は、本明細書の最後にある特許請求の範囲において具体的に指摘され、明確に請求される。本発明の各実施形態の前述およびその他の特徴と長所は、添付の図面と併せて行われる以下の詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に従う非縮退の三波混合超伝導デバイスの回路図である。
【図２】本発明の実施形態に従う非縮退の三波混合超伝導デバイスの信号フロー・グラフである。
【図３】本発明の実施形態に従う４ポート・サーキュレータの回路図である。
【図４】本発明の実施形態に従う４ポート・サーキュレータのシンボルである。
【図５】本発明の実施形態に従う４ポート・サーキュレータの回路図である。
【図６】本発明の実施形態に従って４ポート・サーキュレータの動作を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に従って４ポート・サーキュレータの動作を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に従って４ポート・サーキュレータの動作を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に従って４ポート・サーキュレータの動作を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に従って４ポート・サーキュレータの動作を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に従って４ポート・サーキュレータの動作を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に従って４ポート・サーキュレータの動作を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態に従って超伝導デバイスを形成する方法のフローチャートである。
【図１４】本発明の実施形態に従って超伝導４ポート・サーキュレータを形成する方法のフローチャートである。
【図１５】本発明の実施形態に従って超伝導４ポート・サーキュレータを動作させる方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書において示される図は、実例である。本発明の思想から逸脱することなく、本明細書に記載された図または動作の多くの変形が存在することが可能である。例えば、動作は異なる順序で実行されることが可能であり、あるいは動作は追加、削除、または変更されることが可能である。また、「結合される」という用語およびその変形は、２つの要素間に通信経路が存在することを表しており、それらの要素間に要素／接続が介在しない要素間の直接的接続を意味していない。これらのすべての変形は、本明細書の一部であると見なされる。
【００１３】
添付の図および開示された実施形態に関する以下の詳細な説明では、図に示されたさまざまな要素が、２桁または３桁の参照番号付きで提供されている。わずかな例外を除いて、各参照番号の左端の数字は、その要素が最初に示された図に対応している。
【００１４】
簡潔にするために、半導体デバイスおよび集積回路（ＩＣ：integrated circuit）の製造に関連する従来技術は、本明細書において詳細に説明されることもあれば、説明されないこともある。さらに、本明細書に記載されたさまざまな作業および工程段階は、本明細書に詳細に記載されない追加の段階または機能を含んでいるさらに包括的な手順または工程に組み込まれ得る。具体的には、半導体デバイスおよび半導体ベースのＩＣの製造におけるさまざまな段階はよく知られているため、簡潔にするために、多くの従来の段階は、本明細書では、周知の工程の詳細を提供することなく、簡潔にのみ述べられるか、または全体的に省略される。
【００１５】
ここで、本発明の態様に特に関連する技術の概要について説明すると、固体量子情報処理における進歩が、マイクロ波領域における量子限定された性能を有する増幅器および周波数変換器に関する探求に動機を与えた。電磁場の単一の空間的および時間的モードの直角位相に適用される利得に応じて、線形増幅器は、根本的に異なるノイズ特性をそれぞれ有している、位相敏感および位相保存という２つのカテゴリに分類され得る。位相敏感増幅器は、それ自身のノイズを処理される信号に追加せずに、他の直角位相におけるノイズおよび信号が増大することを犠牲にして、マイクロ波場の１つの直角位相における入力ノイズおよび入力信号を圧縮する。しかし、位相敏感増幅器は、量子情報がマイクロ波場の１つの直角位相においてエンコードされている場合にのみ役立つ。一方、位相保存増幅器は、信号周波数での入力光子の半分に相当するノイズを少なくとも追加することを犠牲にして、入力ノイズおよび入力信号の両方の直角位相を増幅する。そのような増幅器は、量子ビット読み出しを含む、多くの量子的応用において役立つ。非縮退の本質的に位相保存である超伝導パラメトリック増幅器の１つの実現は、ジョセフソン・リング変調器（Josephson ring modulator）に基づく。ジョセフソン・リング変調器は、ホイートストン・ブリッジ構成で、４つのジョセフソン接合を含むことができる。このデバイスの対称性は、増幅プロセスの純度を高める（すなわち、特定の望ましくない非線形プロセスを除去するか、または最小限に抑え、その動作およびその解析の両方の簡略化も行う）。
【００１６】
市販の低温サーキュレータが、量子的応用において利用されている。しかし、市販の低温サーキュレータは、通常、サイズが大きく、重く、熱平衡化が困難である。さらに、市販の低温サーキュレータは、チップ上で製造／集積化することが難しいフェライトを使用し、超伝導回路に悪影響を与える可能性がある磁石を組み込む。１つの量子ビット共振器および１つの量子限定された増幅器（ジョセフソン・パラメトリック・コンバータ（ＪＰＣ：Josephson parametric converter）など）を接続する標準的な１入力１出力線の設定では、最先端の技術はおよそ２つのサーキュレータおよび３つのアイソレータを使用する。
【００１７】
ここで、本発明の態様の概要について説明すると、本発明の１つまたは複数の実施形態は、並列に一緒に結合された非縮退の三波混合超伝導デバイスを提供することによって、従来技術の前述の欠点に対処する。さらに具体的には、本発明の前述の態様は、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイスに少なくとも部分的に基づいて周波数変換を使用する超伝導４ポート・サーキュレータを提供することによって、従来技術の欠点に対処する。本発明の実施形態によれば、４ポート・サーキュレータの技術的効果および利点は、チップ上またはプリント基板（ＰＣＢ：printed circuit board）に集積化することができ、フェライトを使用せず、（大きい磁場を有する）磁石を必要としないことである。また、４ポート・サーキュレータは、十分に熱平衡化することができ、小さく／小型にすることができ、かつ軽い。さらに、２つの非縮退の三波混合デバイスに供給される２つのポンプ・トーンの間の位相差を打ち消すことによって、そのままで分離の方向を反転することができる。さらに、実施形態は、複数の４ポート・サーキュレータを同じチップ上に高密度で追加する（すなわち、拡大する）ことを考慮する。
【００１８】
ここで、本発明の態様を詳細に説明すると、図１は、本発明の実施形態に従って、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０の回路図を示している。非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０は、（１つの例として）ジョセフソン・パラメトリック・コンバータであることができる。ジョセフソン・パラメトリック・コンバータ１３０は、量子限界でマイクロ波信号の三波混合を実行できる、ジョセフソン・トンネル接合１０２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：Josephson ring modulator）１０５を含む。３つのマイクロ波信号は、通常、信号マイクロ波信号、アイドラー・マイクロ波信号（Idler microwave signal）、およびポンプ・マイクロ波信号（Pump microwave signal）と呼ばれる。ＪＲＭ１０５は、ホイートストン・ブリッジ構成で配置された４つの名目上は同一のジョセフソン接合１０２から成る。ＪＲＭ１０５は、ジョセフソン接合１０２の交差位置に接続された４つの名目上は同一のジョセフソン接合１０１を含むこともできる。一部の実装例では、ジョセフソン接合１０１は、ジョセフソン接合１０２と同一であることができる。他の実装例では、ジョセフソン接合１０１は、ジョセフソン接合１０２と異なることができる。一部の実装例では、ＪＲＭ１０５は、ジョセフソン接合１０１を含まなくてよい。
【００１９】
量子限界でマイクロ波信号の増幅または混合あるいはその両方を実行できる非縮退のパラメトリック三波混合デバイス（nondegenerate parametric three-wave mixing device）（ジョセフソン・パラメトリック・コンバータ１３０）を構築するために、ＪＲＭ１０５は、２つのマイクロ波共振器に、それらの固有モードの倍数の無線周波数（ＲＦ：radio frequency）電流波腹点で、組み込まれる。ＪＲＭ１０５は、外部磁束（Φｅｘｔ）によって駆動される。外部磁束は、オンチップの磁束線を使用するか、外部の磁気コイルを使用するか、またはチップ上またはパッケージ内に統合された非常に小さい磁気材料を使用するか、あるいはその組み合わせを使用して、与えられ得る。
【００２０】
マイクロ波共振器のうちの１つは、信号（Ｓ）共振器１１５Ａであり、その他はアイドラー（Ｉ）共振器１１５Ｂである。このデバイスは、信号マイクロ波信号およびアイドラー・マイクロ波信号が別々のポートに入力されるため、非縮退である。結合コンデンサ１１０Ａは共振器１１５Ａをハイブリッド結合器に接続し、結合コンデンサ１１０Ｂは共振器１１５Ｂをハイブリッド結合器に接続する。ハイブリッド結合器は、広帯域のオフチップ／オンチップ１８０度ハイブリッド（off-chip/on-chip broadband 180 degree hybrids）である。ジョセフソン・パラメトリック・コンバータ１３０は、ＪＲＭ１０５と共に、共振器１１５Ａおよび共振器１１５Ｂの両方を含む。信号（Ｓ）共振器１１５Ａは共振周波数ｆ１（ｆＳとも呼ばれる）を有し、アイドラー（Ｉ）共振器１１５Ｂは共振周波数ｆ２（ｆＩとも呼ばれる）を有する。実施形態は、ジョセフソン・パラメトリック・コンバータ１３０がハイブリッドを含まない場合、つまり、ジョセフソン・パラメトリック・コンバータ１３０がその動作（すなわち、デバイス１３０との間での信号送出）にハイブリッドを必要としない場合を含む。
【００２１】
ジョセフソン・パラメトリック・コンバータ１３０の性能（つまり、電力利得Ｇ、動的帯域幅γ、および最大入力電力Ｐｍａｘ）は、ＪＲＭ１０５のジョセフソン接合１０２の臨界電流Ｉ０、電磁環境（すなわち、マイクロ波共振器１１５Ａおよびマイクロ波共振器１１５Ｂ）の特定の実現、ＪＲＭ１０５と共振器１１５Ａおよび１１５Ｂとの間の結合、ならびに共振器とフィードラインの間の結合に強く依存している。フィードラインは、共振器１１５Ａおよび１１５Ｂを２つのハイブリッド結合器に接続する伝送線である。共振器１１５Ａおよび１１５Ｂを２つのハイブリッド結合器に接続する伝送線は、マイクロ波同軸線またはマイクロ波導波管であることができる。図に示されていないが、ハイブリッド結合器の反対の端に、他のデバイスが接続され得る。他のデバイスの例としては、減衰器、サーキュレータ、アイソレータ、マイクロ波ローパス・フィルタ、マイクロ波バンドパス・フィルタ、赤外線フィルタ、および量子ビット空洞システムが挙げられる。図２は、実施形態に従って周波数変換モードで動作する非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０の信号フロー・グラフを示している。周波数変換モードでは、光子利得は存在しない。すなわち、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０は、増幅器のように動作しない。図２は、非縮退の三波混合デバイス１３０の信号フロー・グラフを示している。
【００２２】
ジョセフソン・パラメトリック・コンバータ１３０は、ノイズのない周波数変換で動作しているとき、次の散乱行列を満たす。
【数２】
2020519005.tif 000004
【００２３】
本明細書において認識されるであろうように、実施形態に従って、ポンプφｐの位相が利用される。散乱行列がユニタリであるため、次の関係が維持される。
｜ｒ｜２＋｜ｔ｜２＝１
ここで、ｒは反射係数、ｔは透過パラメータ、ｔ’＝−ｔ＊である（ｔ＊はｔの共役である）。ユニタリとは、デバイス１３０がエネルギーおよび位相のコヒーレンスを維持するということである。非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０の完全変換動作点（full conversion working point）は、
｜ｒ｜２＝０、｜ｔ｜２＝１
である。
【００２４】
完全変換動作点では、周波数変換で反射が存在せず、全透過が存在する。
【００２５】
図２では、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０は、信号ポート（Ｓ）、アイドラー・ポート（Ｉ）、およびポンプ・ポート（Ｐ）という３つのポートを含んでいる。非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０は、アイドラー・ポートから信号ポートへの透過ｔおよび信号ポートからアイドラー・ポートへの透過ｔ’を含んでいる。アイドラー・ポートから信号ポートへ向かうアイドラー・マイクロ波信号は、周波数ｆ２でアイドラー・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。信号ポートから信号ポートへ向かう信号マイクロ波信号は、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でアイドラー・ポートから出る。ポンプ・マイクロ波信号は、周波数のアップコンバートおよび周波数のダウンコンバート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
【００２６】
図３は、実施形態に従って、オンチップの超伝導４ポート・サーキュレータ３００の回路図を示している。図４は、実施形態に従って、４ポート・サーキュレータのシンボルを示している。４ポート・サーキュレータ３００は、並列に一緒に結合された２つの非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０を含んでいる。これら２つの非縮退の三波混合超伝導デバイスは、本明細書において説明された非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０と同様に動作する非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１および１３０＿２として指定されている。説明の目的で、上部の経路が非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１を通過しており、下部の経路が非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿２を通過している。当業者によって理解されているように、４ポート・サーキュレータは、ポート１、ポート２、ポート３、およびポート４という４つのポートを含んでいる。ポート１はポート００１として指定されており、ポート２はポート００２として指定されており、ポート３はポート００３として指定されており、ポート４は００４として指定されている。４ポート・サーキュレータでは、ポート１に加えられたマイクロ波信号は、ポート２のみから外に出る。ポート２に加えられたマイクロ波信号は、ポート３のみから外に出る。ポート３に加えられたマイクロ波信号は、ポート４のみから外に出て、ポート４に加えられたマイクロ波信号は、ポート１のみから外に出る。
【００２７】
非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１および１３０＿２は、（名目上は）同一である。非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１および１３０＿２は、ポート３２０＿１および３２０＿２（共振周波数ｆ１を有する信号共振器に接続された信号ポートであることができる）をそれぞれ含んでいる。非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１および１３０＿２は、ポート３２２＿１および３２２＿２（共振周波数ｆ２を有するアイドラー共振器に接続されたアイドラー・ポートであることができる）をそれぞれ含んでいる。非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１および１３０＿２は、ポート３２４＿１および３２４＿２（ポンプ周波数ｆＰを受信するように設計されたポンプ・ポートであることができる）を含んでいる。ポンプ周波数ｆＰでのポンプ・マイクロ波信号は、ハイブリッドのΣポートのうちの１つを介して、または（（最先端の技術において）複数のハイブリッドなしのＪＰＣ回路において最近示されたように）別の物理ポートを介して（ハイブリッドなしで）直接、信号共振器またはアイドラー共振器に加えられ得る。ポンプ・マイクロ波信号は、ポンプ周波数ｆＰおよび位相φｐでポンプ・ポート３２４＿１および３２４＿２に加えられる。非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１の場合、ポンプ・マイクロ波信号は、ポンプ周波数ｆＰおよび位相φｐ１でポート３２４＿１に加えられる。非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿２の場合、ポンプ・マイクロ波信号は、ポンプ周波数ｆＰおよび位相φｐ２でポート３２４＿２に加えられる。三波混合デバイス１３０＿１および１３０＿２の両方に入力されるポンプ・マイクロ波信号のポンプ周波数ｆＰはｆＰ＝｜ｆ２−ｆ１｜であり、ｆ２＞ｆ１の場合、同じである。ポート３２４＿１に加えられるポンプ・マイクロ波信号の位相φｐ１はφ１である。ポート３２４＿２に加えられるポンプ・マイクロ波信号の位相φｐ２はφ１＋９０°である。認識できるように、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１のポンプ・ポート３２４＿１に入力されるポンプ・マイクロ波信号の位相は、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿２のポンプ・ポート３２４＿２に入力されるポンプ・マイクロ波信号の位相から９０°ずれている。この９０°の位相差は、オンチップの超伝導４ポート・サーキュレータ３００を実施形態に従うサーキュレータとして形成して動作させるために、ハイブリッド結合器３０５Ａおよび３０５Ｂと共に利用される。さらに、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１および１３０＿２は、反射ｒが０、透過｜ｔ｜が１である完全変換動作点で両方とも動作し、周波数変換において（すなわち、光子利得がある増幅器としてではなく）動作する。
【００２８】
図３では、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａがポート３２０＿１および３２０＿２に接続されている。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、ポート００１（すなわち、ポート１）およびポート００３（すなわち、ポート３）として指定された２つの入力ポートを含んでいる。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂがポート３２２＿１および３２２＿２に接続されている。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂは、ポート００２（すなわち、ポート２）およびポート００４（すなわち、ポート４）として指定された２つの入力ポートを含んでいる。
【００２９】
９０°ハイブリッドは、可逆の、整合された、理想的には無損失である、４ポート・マイクロ波デバイスである。９０°ハイブリッド結合器は、位相が互いに９０°ずれた２つの出力ポートを含んでいる特殊な結合器であり、２つの出力ポート間で電力を等分割する。９０°ハイブリッドは、入力信号を同じ振幅の２つの出力に分割し、その１つの出力は入力信号と同相であり、他の出力の位相は、入力信号の位相から９０°ずれている。
【００３０】
１８０°ハイブリッドは、可逆の、整合された、理想的には無損失である、４ポート・マイクロ波デバイスである。１８０°ハイブリッドは、入力信号を同じ振幅の２つの出力に分割する。１８０°ハイブリッドは、合計ポート（Σ）（すなわち、０°ポート）から供給された場合、同じ振幅の２つの同相出力信号（入力信号とも同相である）を供給し、差分ポート（Δ）（すなわち、１８０°ポート）から供給された場合、同じ振幅の、位相が１８０°ずれた２つの出力信号（１つの出力は入力信号と同相であり、他の出力の位相は、入力信号の位相から１８０°ずれている）を供給する。伝送線回路を使用して９０°ハイブリッドおよび１８０°ハイブリッドを実装する必要はないということに、注意するべきである。９０°ハイブリッドおよび１８０°ハイブリッドは、集中素子（集中コンデンサおよび集中インダクタ）を使用しても実装され得る。集中コンデンサの例としては、平板コンデンサ、ギャップ・コンデンサ、相互嵌合コンデンサなどが挙げられる。集中インダクタの例としては、らせんの、および狭い蛇行する、超伝導ワイヤが挙げられる。
【００３１】
デバイス１３０＿１および１３０＿２の動作モードは、供給されたポンプ周波数ｆＰがｆＰ＝｜ｆ１−ｆＳ｜という関係を満たす、（光子利得がない）ユニタリ周波数変換モードである。
【００３２】
ここで、４ポート・サーキュレータ・デバイス３００の動作をさらに詳細に説明すると、デバイス３００は、オンチップの非縮退の４ポート・サーキュレータを実現する。デバイス３００は、このデバイスのポートに入るマイクロ波信号を特定の（事前に定義された）方向に送信し、それらの信号はユニタリ周波数変換（アップコンバート／ダウンコンバート）を受ける。例えば、周波数ｆ１でポート１（例えば、ポート００１）に入るマイクロ波信号は、周波数ｆ２にアップコンバートされ、無損失または低損失で、ポート２（例えば、ポート００２）に送信される。周波数ｆ２でポート２（例えば、ポート００２）に入るマイクロ波信号は、周波数ｆ１にダウンコンバートされ、無損失または低損失で、ポート３（例えば、ポート００３）に送信される。周波数ｆ１でポート３（例えば、ポート００３）に入るマイクロ波信号は、周波数ｆ２にアップコンバートされ、無損失または低損失で、ポート４（例えば、ポート００４）に送信される。周波数ｆ２でポート４（例えば、ポート００４）に入るマイクロ波信号は、周波数ｆ１にダウンコンバートされ、無損失または低損失で、ポート１（例えば、ポート００１）に送信される。デバイス３００は、反対の循環方向で分離を提供し、すなわち、ポート１がポート２に入力された信号から分離され、ポート２がポート３に入力された信号から分離され、ポート３がポート４に入力された信号から分離され、ポート４がポート１に入力された信号から分離される。例えば、図４では、（事前に定義された）循環方向が円形の矢印で示されているが、反対の循環方向は、円形の矢印の反対方向になる。
【００３３】
デバイス３００は、ジョセフソン・パラメトリック・コンバータであることができる非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１および１３０＿２という２つの段から成る。これらの２つの段は、２つのハイブリッド（すなわち、９０°ハイブリッド３０５Ａおよび１８０°ハイブリッド）を使用して並列に接続される。９０°ハイブリッド３０５Ａの２つの入力は、サーキュレータ３００のポート１および３を定義し、９０°ハイブリッド３０５Ａの２つの出力は、（ＪＰＣ）段の信号ポート３２０＿１および３２０＿２に接続される。同様に、１８０°ハイブリッドの入力は、サーキュレータ３００のポート２および４を定義し、１８０°ハイブリッドの２つの出力は、（ＪＰＣ）段のアイドラー・ポート３２２＿１および３２２＿２に接続される。
【００３４】
非縮退の三波混合デバイス１３０＿１および１３０＿２をノイズのない周波数変換モード（光子利得なし）で動作させ、それらの動作点を完全変換に設定することによって、ポート３２０および３２２からの反射が最小限に抑えされ、他のポート（ポート３２０および３２２）への透過（アップコンバート／ダウンコンバートを含む）が最大化される。２つの非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１および１３０＿２に供給される（ポンプ・ポート３２４＿１および３２４＿２を介した）ポンプ駆動間の（位相φｐ１＝φ１と位相φｐ２＝φ１＋９０°の）位相差は、非可逆の位相シフトを、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１および１３０＿２間を伝搬する信号に導入する。伝搬が、説明の目的で左から右へ、または右から左へとして示されているが、当業者が図の向きを変更できることを理解するということに、注意する。非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１は、動作中に、φ１の位相シフトを、ポート３２０＿１（例えば、信号ポート）で受信され、ポート３２２＿１（アイドラー・ポート）で出力されるすべての信号に追加するように構成される。反対方向では、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１は、動作中に、−φ１の位相シフトを、ポート３２２＿１（アイドラー・ポート）で受信され、ポート３２０＿１（例えば、信号ポート）で出力されるすべての信号に追加するように構成される。φ１または−φ１の追加は、信号が非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１に入力される（図では、単に説明のために、左または右である）方向に関連している。ポート３２４＿１で受信されるポンプ信号（ポンプ駆動）がポンプ位相φｐ１＝φ１を有しているため、ポート３２０＿１から入力された信号にφ１が追加されてポート３２２＿１に出力されることが発生するか、またはポート３２２＿１から入力された信号に−φ１が追加されてポート３２０＿１に出力されることが発生する。
【００３５】
位相φ１＋９０°でのポンプ駆動に従って、同様の位相変化が、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１において発生する。非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿２は、動作中に、φ１＋９０°の位相シフトを、ポート３２０＿２（例えば、信号ポート）で受信され、ポート３２２＿２（アイドラー・ポート）で出力されるすべての信号に追加するように構成される。反対方向では、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿２は、動作中に、−φ１−９０°の位相シフトを、ポート３２２＿２（アイドラー・ポート）で受信され、ポート３２０＿２（例えば、信号ポート）で出力されるすべての信号に追加するように構成される。φ１＋９０°または−φ１−９０°の追加は、信号が非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿２に入力される（図では、単に説明のために、左または右である）方向に関連している。ポート３２４＿２で受信されるポンプ信号（ポンプ駆動）がポンプ位相φｐ１＝φ１＋９０°を有しているため、ポート３２０＿２から入力された信号にφ１＋９０°が追加されてポート３２２＿２に出力されることが発生するか、またはポート３２２＿２から入力された信号に−φ１−９０°が追加されてポート３２０＿２に出力されることが発生する。
【００３６】
２つの段に供給される２つのポンプ（すなわち、周波数ｆＰでの２つポンプ・マイクロ波信号）間の位相差は、９０度である。マイクロ波ポンプは、マイクロ波信号（マイクロ波トーンとも呼ばれる）を生成するデバイスである。１つのマイクロ波ポンプがポンプ・ポート３２４＿１に接続され、別のマイクロ波ポンプがポンプ・ポート３２４＿２に接続される。１つの実装では、２つのマイクロ波信号間のこの位相差を反転することによって、循環の循環方向がそのままで反転され得る。
【００３７】
図３では、各マイクロ波ポンプの駆動が、伝送線を介して各ポンプ・ポート３２４＿１および３２４＿２に供給されている。図３に示されているような２つのポンプ駆動を含める代わりに、実施形態に従って、図５に示されているような９０°ハイブリッド結合器５０５を介して、単一のポンプ駆動をデバイス全体に供給することができる。９０°ハイブリッド結合器５０５は、２つの三波混合段に注入されるポンプ駆動間の必要な位相差（すなわち、９０°の位相差）を与える。ここで、２つの非縮退の三波混合デバイス１３０＿１および１３０＿２が名目上は同一であると仮定する。図５は、９０°ハイブリッド結合器５０５の１つのポートがポンプ・マイクロ波信号を受信し、ハイブリッドの他の入力ポートが５０Ωの終端に接続されていることを示している。
【００３８】
デバイス３００のデバイス動作は、２つの経路間の波の干渉に基づいており、それらの経路の１つが第１の段（例えば、上部の経路）を通過し、他の経路が第２の段（例えば、下部の経路）を通過する。波の干渉は、ビームスプリッタとして機能するハイブリッド３０５＿Ａおよび３０５＿Ｂを介して可能にされる。１つのポートの入力信号の２つに分割された波が、２つの経路を通過して、アップコンバートまたはダウンコンバートされた後に、特定のポートで建設的に（同相で、すなわちピークが一致して）合計される場合、信号は、ほぼ１の透過でそのポートを出る。反対に、出力された波が、特定のポートで相殺的に干渉する（１８０°の位相差を有する）場合、そのポートは、信号が入った入力ポートから分離される。
【００３９】
制限ではなく説明の目的で、図６〜１２は、実施形態に従って、波の干渉を使用する４ポート・サーキュレータ３００の動作の例を示している。
【００４０】
図６は、実施形態に従って、マイクロ波信号が周波数ｆ１で９０°ハイブリッド３０５Ａのポート００１（例えば、ポート１）に入力され、周波数ｆ２でポート００２（例えば、ポート２）に出力される場合の、４ポート・サーキュレータ３００の動作を示している。周波数ｆ１でのマイクロ波信号が、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａのポート００１で受信される。ハイブリッド結合器３０５Ａは、ポート００１で受信されたマイクロ波信号の電力を分割するように構成される。ハイブリッド結合器３０５Ａは、マイクロ波信号の第１の部分（すなわち、１／２）を（位相シフトなしで）、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１のポート３２０＿１に送信するように構成される。また、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、９０°の位相シフトをマイクロ波信号の第２の部分（すなわち、１／２）に追加し、マイクロ波信号の第２の部分を非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿２のポート３２０＿２に送信するように構成される。
【００４１】
ポート３２０＿１で受信されたマイクロ波信号の第１の部分（位相変化がない）およびポート３２０＿２で受信されたマイクロ波信号の第２の部分（位相が９０°増えている）は、各混合デバイス１３０＿１および１３０＿２によって、両方とも周波数ｆ１から周波数ｆ２にアップコンバートされる。さらに、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１は、φ１の位相シフトを、ポート３２０＿１で受信されているマイクロ波信号の第１の部分に追加するように構成される。同様に、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿２は、φ１＋９０°の位相シフトを、ポート３２０＿２で受信されているマイクロ波信号の第２の部分の９０°の位相に追加して、φ１＋１８０°を得るように構成される。
【００４２】
位相φ１を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第１の部分が、混合デバイス１３０＿１からハイブリッド結合器３０５Ｂに送信され、位相φ１＋１８０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第２の部分が、混合デバイス１３０＿２から１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂに送信される。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂは、位相φ１を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第１の部分をポート００２に送信する（つまり、１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂが位相を追加しない）ように構成される。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂは、位相φ１＋１８０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第２の部分を受信した後に、１８０°の位相を位相φ１＋１８０°に追加し、位相φ１＋３６０°を得て、位相φ１＋３６０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第２の部分をポート００２に送信するように構成される。混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から送信されたマイクロ波信号の建設的干渉が、ポート００２で発生する。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂの出力ポート００２で、上部の経路からのマイクロ波信号の第１の部分の位相は、位相φ１を有しており、下部の経路からのマイクロ波信号の第２の部分の位相は、位相φ１＋３６０°を有している。したがって、周波数ｆ１で、マイクロ波信号が９０°ハイブリッド３０５Ａのポート００１に入力され、周波数ｆ２で、１８０°ハイブリッド３０５Ｂのポート００２（例えば、ポート２）に出力されるように、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）２つのマイクロ波信号が、ハイブリッド結合器３０５Ｂを介して建設的に加算され、ポート００２に出力される。しかし、１８０°ハイブリッド３０５Ｂのポート００４に関しては、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）マイクロ波信号の第１の部分および第２の部分が、ハイブリッド結合器３０５Ｂを介して相殺的に加算され、マイクロ波信号がポート００４から出力されない。
【００４３】
図７は、実施形態に従って、マイクロ波信号が周波数ｆ２で１８０°ハイブリッド３０５Ｂのポート００２（例えば、ポート２）に入力され、周波数ｆ１でポート００１（例えば、ポート１）に出力される場合の、４ポート・サーキュレータ３００の動作を示している。ただしこの例では、相殺的干渉が発生する。周波数ｆ２でのマイクロ波信号が、１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂのポート００２で受信される。ハイブリッド結合器３０５Ｂは、ポート００２で受信されたマイクロ波信号の電力を分割するように構成される。ハイブリッド結合器３０５Ｂは、マイクロ波信号の第１の部分（すなわち、１／２）を（位相シフトなしで）、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１のポート３２２＿１に送信するように構成される。また、１８０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、１８０°の位相シフトをマイクロ波信号の第２の部分（すなわち、１／２）に追加し、マイクロ波信号の第２の部分を非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿２のポート３２２＿２に送信するように構成される。
【００４４】
ポート３２２＿１で受信されたマイクロ波信号の第１の部分（位相変化がない）およびポート３２２＿２で受信されたマイクロ波信号の１８０°の位相を有する第２の部分は、各混合デバイス１３０＿１および１３０＿２によって、両方とも周波数ｆ２から周波数ｆ１にダウンコンバートされる。さらに、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１は、−φ１の位相シフトを、ポート３２２＿１で受信されているマイクロ波信号の第１の部分に追加するように構成される。同様に、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿２は、−φ１−９０°の位相シフトを、ポート３２２＿２で受信されているマイクロ波信号の第２の部分の１８０°の位相に追加して、−φ１＋９０°を得るように構成される。
【００４５】
位相φ１を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第１の部分が、混合デバイス１３０＿１から９０°ハイブリッド結合器３０５Ａに送信され、位相−φ１＋９０°を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第２の部分が、混合デバイス１３０＿２から９０°ハイブリッド結合器３０５Ａに送信される。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、位相−φ１を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第１の部分をポート００１に送信する（つまり、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａが位相を追加しない）ように構成される。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、位相−φ１＋９０°を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第２の部分を受信した後に、９０°の位相を位相−φ１＋９０°に追加し、位相−φ１＋１８０°を得て、位相−φ１＋１８０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第２の部分をポート００１に送信するように構成される。混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から送信されたマイクロ波信号の相殺的干渉が、ポート００１で発生する。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａの出力ポート００１で、上部の経路からのマイクロ波信号の第１の部分の位相は、位相−φ１を有しており、下部の経路からのマイクロ波信号の第２の部分の位相は、位相−φ１＋１８０°を有している。したがって、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）２つのマイクロ波信号が、ハイブリッド結合器３０５Ａを介して相殺的に加算され、マイクロ波信号がポート００１に出力されない。しかし、９０°ハイブリッド３０５Ａのポート００３に関しては、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）マイクロ波信号の第１の部分および第２の部分が、ハイブリッド結合器３０５Ａを介して建設的に加算され、図８に示されているように、マイクロ波信号がポート００３から出力される。
【００４６】
図８は、実施形態に従って、マイクロ波信号が周波数ｆ２で１８０°ハイブリッド３０５Ｂのポート００２（例えば、ポート２）に入力され、周波数ｆ１でポート００３（例えば、ポート３）に出力される場合の、４ポート・サーキュレータ３００の動作を示している。周波数ｆ２でのマイクロ波信号が、１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂのポート００２で受信される。ハイブリッド結合器３０５Ｂは、ポート００２で受信されたマイクロ波信号の電力を分割するように構成される。ハイブリッド結合器３０５Ｂは、マイクロ波信号の第１の部分（すなわち、１／２）を（位相シフトなしで）、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１のポート３２２＿１に送信するように構成される。また、１８０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、１８０°の位相シフトをマイクロ波信号の第２の部分（すなわち、１／２）に追加し、マイクロ波信号の第２の部分を非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿２のポート３２２＿２に送信するように構成される。
【００４７】
ポート３２２＿１で受信されたマイクロ波信号の第１の部分（位相変化がない）およびポート３２２＿２で受信されたマイクロ波信号の１８０°の位相を有する第２の部分は、各混合デバイス１３０＿１および１３０＿２によって、両方とも周波数ｆ２から周波数ｆ１にダウンコンバートされる。さらに、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１は、動作中に、−φ１の位相シフトを、ポート３２２＿１で受信されているマイクロ波信号の第１の部分に追加するように構成される。同様に、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿２は、動作中に、−φ１−９０°の位相シフトを、ポート３２２＿２で受信されているマイクロ波信号の第２の部分の１８０°の位相に追加して、位相−φ１＋９０°を得るように構成される。
【００４８】
位相φ１を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第１の部分が、混合デバイス１３０＿１から９０°ハイブリッド結合器３０５Ａに送信され、位相−φ１＋９０°を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第２の部分が、混合デバイス１３０＿２から９０°ハイブリッド結合器３０５Ａに送信される。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、位相−φ１を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第１の部分を受信した後に、９０°の位相を位相−φ１に追加し、位相−φ１＋９０°を得て、位相−φ１＋９０°を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第１の部分をポート００３に送信するように構成される。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、位相−φ１＋９０°を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第２の部分をポート００３に送信する（つまり、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａが位相を追加しない）ように構成される。混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から送信されたマイクロ波信号の建設的干渉が、ポート００３で発生する。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａの出力ポート００３で、上部の経路からのマイクロ波信号の第１の部分の位相は、位相−φ１＋９０°を有しており、下部の経路からのマイクロ波信号の第２の部分の位相は、位相−φ１＋９０°を有している。したがって、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）２つのマイクロ波信号が、ハイブリッド結合器３０５Ａを介して建設的に加算され、結合マイクロ波信号がポート００３に出力される。相殺的干渉は、図７のポート００１に示されている。
【００４９】
図９は、実施形態に従って、マイクロ波信号が周波数ｆ１で９０°ハイブリッド３０５Ａのポート００３（例えば、ポート３）に入力され、周波数ｆ２でポート００２（例えば、ポート２）に出力される場合の、４ポート・サーキュレータ３００の動作を示している。この状況では、相殺的干渉が発生する。周波数ｆ１でのマイクロ波信号が、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａのポート００３で受信される。ハイブリッド結合器３０５Ａは、ポート００３で受信されたマイクロ波信号の電力を分割するように構成される。また、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、９０°の位相シフトをマイクロ波信号の第１の部分（すなわち、１／２）に追加し、マイクロ波信号の第１の部分を非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１のポート３２０＿１に送信するように構成される。ハイブリッド結合器３０５Ａは、マイクロ波信号の第２の部分（すなわち、１／２）を（位相シフトなしで）、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿２のポート３２０＿２に送信するように構成される。
【００５０】
ポート３２０＿１で受信されたマイクロ波信号の第１の部分（位相が９０°増えている）およびポート３２０＿２で受信されたマイクロ波信号の第２の部分（位相変化がない）は、各混合デバイス１３０＿１および１３０＿２によって、両方とも周波数ｆ１から周波数ｆ２にアップコンバートされる。さらに、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１は、動作中に、φ１の位相シフトを、ポート３２０＿１で受信されているマイクロ波信号の第１の部分に追加して、φ１＋９０°を得るように構成される。同様に、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿２は、動作中に、φ１＋９０°の位相シフトを、ポート３２０＿２で受信されているマイクロ波信号の第２の部分に追加して、位相φ１＋９０°を得るように構成される。
【００５１】
位相φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第１の部分が、混合デバイス１３０＿１からハイブリッド結合器３０５Ｂに送信され、位相φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第２の部分が、混合デバイス１３０＿２から１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂに送信される。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂは、位相φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第１の部分をポート００２に送信する（つまり、１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂが位相を追加しない）ように構成される。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂは、位相φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第２の部分を受信した後に、１８０°の位相を位相φ１＋９０°に追加し、位相φ１＋２７０°を得て、位相φ１＋２７０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第２の部分をポート００２に送信するように構成される。混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から送信されたマイクロ波信号の相殺的干渉が、ポート００２で発生する。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂの出力ポート００２で、上部の経路からのマイクロ波信号の第１の部分の位相は、位相φ１＋９０°を有しており、下部の経路からのマイクロ波信号の第２の部分の位相は、位相φ１＋２７０°を有している。したがって、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）２つのマイクロ波信号が、ハイブリッド結合器３０５Ｂを介して相殺的に加算され、マイクロ波信号がポート００２に出力されない。しかし、１８０°ハイブリッド３０５Ｂのポート００４に関しては、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）マイクロ波信号の第１の部分および第２の部分が、ハイブリッド結合器３０５Ｂを介して建設的に加算され、図１０に示されているように、結合マイクロ波信号がポート００４から出力される。
【００５２】
図１０は、実施形態に従って、マイクロ波信号が周波数ｆ１で９０°ハイブリッド３０５Ａのポート００３（例えば、ポート３）に入力され、周波数ｆ２でポート００４（例えば、ポート４）に出力される場合の、４ポート・サーキュレータ３００の動作を示している。周波数ｆ１でのマイクロ波信号が、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａのポート００３で受信される。ハイブリッド結合器３０５Ａは、ポート００３で受信されたマイクロ波信号の電力を分割するように構成される。また、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、９０°の位相シフトをマイクロ波信号の第１の部分（すなわち、１／２）に追加し、マイクロ波信号の第１の部分を非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１のポート３２０＿１に送信するように構成される。ハイブリッド結合器３０５Ａは、マイクロ波信号の第２の部分（すなわち、１／２）を（位相シフトなしで）、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿２のポート３２０＿２に送信するように構成される。
【００５３】
ポート３２０＿１で受信されたマイクロ波信号の第１の部分（位相が９０°増えている）およびポート３２０＿２で受信されたマイクロ波信号の第２の部分（位相変化がない）は、各混合デバイス１３０＿１および１３０＿２によって、両方とも周波数ｆ１から周波数ｆ２にアップコンバートされる。さらに、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１は、動作中に、φ１の位相シフトを、ポート３２０＿１で受信されているマイクロ波信号の第１の部分に追加して、位相φ１＋９０°を得るように構成される。同様に、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿２は、動作中に、φ１＋９０°の位相シフトを、ポート３２０＿２で受信されているマイクロ波信号の第２の部分に追加して、位相φ１＋９０°を得るように構成される。
【００５４】
位相φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第１の部分が、混合デバイス１３０＿１からハイブリッド結合器３０５Ｂに送信され、位相φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第２の部分が、混合デバイス１３０＿２から１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂに送信される。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂは、位相φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第１の部分を受信した後に、０°の位相（位相シフトなし）を位相φ１＋９０°に追加し、位相φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第１の部分をポート００４に送信する（つまり、１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂが位相を追加しない）ように構成される。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂは、位相φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第２の部分を受信した後に、位相φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第２の部分をポート００４に送信するように構成される。混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から送信されたマイクロ波信号の建設的干渉が、ポート００４で発生する。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂの出力ポート００４で、上部の経路からのマイクロ波信号の第１の部分の位相は、位相φ１＋９０°を有しており、下部の経路からのマイクロ波信号の第２の部分の位相は、位相φ１＋９０°を有している。したがって、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）２つのマイクロ波信号が、ハイブリッド結合器３０５Ｂを介して建設的に加算され、結合マイクロ波信号がポート００４に出力される。しかし、１８０°ハイブリッド３０５Ｂのポート００２に関しては、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）マイクロ波信号の第１の部分および第２の部分が、ハイブリッド結合器３０５Ｂを介して相殺的に加算され、図９に示されているように、マイクロ波信号がポート００２から出力されない。
【００５５】
図１１は、実施形態に従って、マイクロ波信号が周波数ｆ２で１８０°ハイブリッド３０５Ｂのポート００４（例えば、ポート４）に入力され、周波数ｆ１でポート００３（例えば、ポート３）に出力される場合の、４ポート・サーキュレータ３００の動作を示している。この状況は、相殺的干渉を示している。周波数ｆ２でのマイクロ波信号が、１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂのポート００４で受信される。ハイブリッド結合器３０５Ｂは、ポート００４で受信されたマイクロ波信号の電力を分割するように構成される。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、０°の位相シフトをマイクロ波信号の第１の部分（すなわち、１／２）に追加し、マイクロ波信号の第１の部分を非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１のポート３２２＿１に送信するように構成される。ハイブリッド結合器３０５Ｂは、マイクロ波信号の第２の部分（すなわち、１／２）を（位相シフトなしで）、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿２のポート３２２＿２に送信するように構成される。
【００５６】
ポート３２２＿１で受信されたマイクロ波信号の０°の位相を有する第１の部分およびポート３２２＿２で受信されたマイクロ波信号の位相変化がない（すなわち、０°の）第２の部分は、各混合デバイス１３０＿１および１３０＿２によって、両方とも周波数ｆ２から周波数ｆ１にダウンコンバートされる。さらに、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１は、動作中に、−φ１の位相シフトを、ポート３２２＿１で受信されているマイクロ波信号の第１の部分の０°の位相に追加して、位相−φ１を得るように構成される。同様に、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿２は、動作中に、−φ１−９０°の位相シフトを、ポート３２２＿２で受信されているマイクロ波信号の第２の部分の０°の位相に追加して、位相−φ１−９０°を得るように構成される。
【００５７】
位相−φ１を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第１の部分が、混合デバイス１３０＿１から９０°ハイブリッド結合器３０５Ａに送信され、位相−φ１−９０°を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第２の部分が、混合デバイス１３０＿２から９０°ハイブリッド結合器３０５Ａに送信される。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、位相−φ１を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第１の部分を受信した後に、９０°の位相を位相−φ１に追加し、位相−φ１＋９０°を得て、位相−φ１＋９０°を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第１の部分をポート００３に送信するように構成される。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、位相−φ１−９０°を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第２の部分をポート００３に送信する（つまり、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａが位相を追加しない）ように構成される。混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から送信されたマイクロ波信号の相殺的干渉が、ポート００３で発生する。したがって、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）２つのマイクロ波信号が、ハイブリッド結合器３０５Ａを介して相殺的に加算され、マイクロ波信号がポート００３に出力されない。図１２に示されているように、建設的干渉がポート００１で発生する。
【００５８】
図１２は、実施形態に従って、マイクロ波信号が周波数ｆ２で１８０°ハイブリッド３０５Ｂのポート００４（例えば、ポート４）に入力され、周波数ｆ１でポート００１（例えば、ポート１）に出力される場合の、４ポート・サーキュレータ３００の動作を示している。周波数ｆ２でのマイクロ波信号が、１８０°ハイブリッド結合器３０５Ｂのポート００４で受信される。ハイブリッド結合器３０５Ｂは、ポート００４で受信されたマイクロ波信号の電力を分割するように構成される。１８０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、０°の位相シフトをマイクロ波信号の第１の部分（すなわち、１／２）に追加し、マイクロ波信号の第１の部分を非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿１のポート３２２＿１に送信するように構成される。ハイブリッド結合器３０５Ｂは、マイクロ波信号の第２の部分（すなわち、１／２）を（位相シフトなしで）、非縮退の三波混合超伝導デバイス１３０＿２のポート３２２＿２に送信するように構成される。
【００５９】
ポート３２２＿１で受信されたマイクロ波信号の０°の位相を有する第１の部分およびポート３２２＿２で受信されたマイクロ波信号の位相変化がない（すなわち、０°の）第２の部分は、各混合デバイス１３０＿１および１３０＿２によって、両方とも周波数ｆ２から周波数ｆ１にダウンコンバートされる。さらに、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿１は、動作中に、−φ１の位相シフトを、ポート３２２＿１で受信されているマイクロ波信号の第１の部分の０°の位相に追加して、位相−φ１を得るように構成される。同様に、非縮退の三波混合ジョセフソン・デバイス１３０＿２は、動作中に、−φ１−９０°の位相シフトを、ポート３２２＿２で受信されているマイクロ波信号の第２の部分の０°の位相に追加して、位相−φ１−９０°を得るように構成される。
【００６０】
位相−φ１を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第１の部分が、混合デバイス１３０＿１から９０°ハイブリッド結合器３０５Ａに送信され、位相−φ１−９０°を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第２の部分が、混合デバイス１３０＿２から９０°ハイブリッド結合器３０５Ａに送信される。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、位相−φ１を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第１の部分をポート００１に送信する（つまり、９０°ハイブリッド結合器３０５Ａが位相を追加しない）ように構成される。９０°ハイブリッド結合器３０５Ａは、位相−φ１−９０°を有する周波数ｆ１でのマイクロ波信号のダウンコンバートされた第２の部分を受信した後に、９０°の位相を位相−φ１−９０°に追加し、位相−φ１を得て、位相−φ１を有する周波数ｆ２でのマイクロ波信号のアップコンバートされた第１の部分をポート００１に送信するように構成される。
【００６１】
混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から送信されたマイクロ波信号の建設的干渉が、ポート００１で発生する。したがって、（混合デバイス１３０＿１および１３０＿２から受信された）２つのマイクロ波信号が、ハイブリッド結合器３０５Ａを介して建設的に加算され、結合マイクロ波信号がポート００１に出力される。図１１に示されているように、相殺的干渉がポート００３で発生する。
【００６２】
前述した状況から、結合マイクロ波信号がハイブリッド結合器３０５Ａの１つの出力ポートから（建設的干渉を介して）出力されるときに、ハイブリッド結合器３０５Ａの他の出力ポートで、信号が出力されないように、相殺的干渉が発生するということが理解されるべきである。同様に、結合マイクロ波信号がハイブリッド結合器３０５Ｂの１つの出力ポートから（建設的干渉を介して）出力されるときに、ハイブリッド結合器３０５Ｂの他の出力ポートで、信号が出力されないように、相殺的干渉が発生するということが理解されるべきである。
【００６３】
図１３は、実施形態に従って超伝導デバイス３００を形成する方法のフローチャート１３００を示している。ブロック１３０２で、第１の混合ポート３２０＿１および第２の混合ポート３２２＿１を含んでいる第１の混合デバイス１３０＿１が提供される。ブロック１３０４で、別の第１の混合ポート３２０＿２および別の第２の混合ポート３２２＿２を含んでいる第２の混合デバイス１３０＿２が提供される。第１および第２の混合デバイス１３０＿１、１３０＿２は、非縮退の三波混合超伝導デバイスである。
【００６４】
ブロック１３０６で、第１の混合ポート３２０＿１および別の第１の混合ポート３２０＿２が、第１の結合器３０５Ａに結合される。ブロック１３０８で、第２の混合ポート３２２＿１および別の第２の混合ポート３２２＿２が、第２の結合器３０５Ｂに結合される。
【００６５】
第１の混合デバイス１３０＿１および第２の混合デバイス１３０＿２が、並列に一緒に結合される。第１の混合デバイス１３０＿１の第１の混合ポート３２０＿１および第２の混合デバイス１３０＿２の別の第１の混合ポート３２０＿２が、第１の機能を有するように構成される。第１の機能は、信号共振器１１５Ａとして動作すること、周波数ｆ１で信号を受信すること、および周波数ｆ１で信号を出力することが、それぞれできる。
【００６６】
第１の混合デバイス１３０＿１の第２の混合ポート３２２＿１および第２の混合デバイス１３０＿２の別の第２の混合ポート３２２＿２が、第２の機能を有するように構成される。第２の機能は、アイドラー共振器１１５Ｂとして動作すること、周波数ｆ２で信号を受信すること、および周波数ｆ２で信号を出力することが、それぞれできる。
【００６７】
第１の混合デバイス１３０＿１は第３の混合ポート３２４＿１を含み、第２の混合デバイス１３０＿２は別の第３の混合ポート３２４＿２を含む。第１の混合デバイス１３０＿１の第３の混合ポート３２４＿１および第２の混合デバイス１３０＿２の別の第３の混合ポート３２４＿２が、第３の機能を有するように構成される。第３の機能は、供給されたポンプ周波数ｆＰがｆＰ＝｜ｆＩ−ｆＳ｜または｜ｆ２−ｆ１｜の関係を満たす（光子利得がない）変換モードでデバイスを動作させるためのポンプ信号をそれぞれ受信することができ、ポート３２４＿１に入力されるポンプ信号は位相φｐ１＝φ１を有し、ポート３２４＿２に入力されるポンプ信号は位相φｐ２＝φ１＋９０°を有する。
【００６８】
第１の混合デバイス１３０＿１および第２の混合デバイス１３０＿２は、第１の結合器３０５Ａから信号を受信するように構成される。第１の混合デバイス１３０＿１および第２の混合デバイス１３０＿２は、信号を第２の結合器３０５Ｂに出力するように構成され、この信号は、第２の結合器３０５Ｂが１つのポートを介して信号を出力するよう構成されるように、第１の混合デバイス１３０＿１および第２の混合デバイス１３０＿２によって変換されている。
【００６９】
第１の混合デバイス１３０＿１および第２の混合デバイス１３０＿２は、第２の結合器３０５Ａから信号を受信するように構成される。第１の混合デバイス１３０＿１および第２の混合デバイス１３０＿２は、信号を第１の結合器３０５Ａに出力するように構成され、この信号は、第１の結合器３０５Ａが１つのポートを介して信号を出力するよう構成されるように、第１の混合デバイス１３０＿１および第２の混合デバイス１３０＿２によって変換されている。
【００７０】
第１の結合器および第２の結合器が９０度ハイブリッド結合器であるか、第１の結合器が９０度ハイブリッド結合器であり、第２の結合器が１８０度ハイブリッド結合器であるか、または第１の結合器が１８０度ハイブリッド結合器であり、第２の結合器が９０度ハイブリッド結合器である。
【００７１】
図１４は、実施形態に従って超伝導４ポート・サーキュレータ３００を形成する方法のフローチャート１４００を示している。ブロック１４０２で、第１の信号ポート３２０＿１および第２のアイドラー・ポート３２２＿１を含んでいる第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイス１３０＿１が提供される。ブロック１４０４で、別の第１の信号ポート３２０＿２および別の第２のアイドラー・ポート３２２＿２を含んでいる第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイス１３０＿１が提供され、第１および第２の混合デバイス１３０＿１、１３０＿２が非縮退の三波混合超伝導デバイスである。
【００７２】
ブロック１４０６で、第１の信号ポート３２０＿１および別の第１の信号ポート３２０＿２が、第１の結合器３０５Ａに結合される。ブロック１４０８で、第２のアイドラー・ポート３２２＿１および別の第２のアイドラー・ポート３２２＿２が、第２の結合器３０５Ｂに結合される。
【００７３】
図１５は、実施形態に従って超伝導４ポート・サーキュレータ３００を動作させる方法のフローチャート１５００である。ブロック１５０２で、信号が第１の結合器３０５Ａのポートで受信され、第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイス１３０＿１および第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイス１３０＿２が、第１の結合器３０５Ａおよび第２の結合器３０５Ｂに並列に結合される。ブロック１５０４で、信号が、（サーキュレータ４００の事前に定義された循環パターンに従って）第２の結合器３０５Ｂの事前に定義されたポートに出力される。
【００７４】
回路３３０、１３０＿１、１３０＿２の回路素子は超伝導材料で作られ得る。各共振器および伝送線／フィードライン／ポンプ・ラインは、超伝導材料で作られている。ハイブリッド結合器は、超伝導材料で作られ得る。（約１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）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、タンタルなどが挙げられる。例えば、ジョセフソン接合は超伝導材料で作られており、それらのトンネル接合は、酸化物などの薄いトンネル・バリアで作られ得る。コンデンサは、極めて低損失の誘電材料によって分離された超伝導材料で作られ得る。さまざまな素子を接続する伝送線（すなわち、ワイヤ）は、超伝導材料で作られている。
【００７５】
本明細書では、関連する図面を参照して、本発明のさまざまな実施形態が説明される。本発明の範囲を逸脱することなく、代替の実施形態が考案され得る。さまざまな接続および位置関係（例えば、上、下、隣接など）が、以下の説明および図面における要素間で示されているが、当業者は、本明細書に記載された位置関係の多くが、向きが変更されても説明されている機能が維持される場合に、向きに依存しないということを認識するであろう。それらの接続または位置関係あるいはその両方は、特に規定されない限り、直接的または間接的であることができ、本発明はこの点において限定するよう意図されていない。したがって、各実体の結合は、直接的結合または間接的結合を指すことができ、各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ることができる。間接的位置関係の一例として、本説明において、層「Ｂ」の上に層「Ａ」を形成することへの言及は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連する特性および機能が中間層によって大幅に変更されない限り、１つまたは複数の中間層（例えば、層「Ｃ」）が層「Ａ」と層「Ｂ」の間にある状況を含んでいる。
【００７６】
以下の定義および略称が、特許請求の範囲および本明細書の解釈に使用される。本明細書において使用されているように、「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」、「含有する」、「含有している」という用語、またはこれらの任意のその他の変形は、非排他的包含をカバーするよう意図されている。例えば、要素のリストを含んでいる組成、混合、工程、方法、製品、または装置は、それらの要素のみに必ずしも限定されず、明示されていないか、またはそのような組成、混合、工程、方法、製品、または装置に固有の、その他の要素を含むことができる。
【００７７】
さらに、「例」という用語は、本明細書では「例、事例、または実例としての役割を果たす」ことを意味するために使用される。「例」として本明細書に記載された実施形態または設計は、必ずしも他の実施形態または設計よりも好ましいか、または有利であると解釈されるべきではない。「少なくとも１つ」および「１つまたは複数」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）を含んでいると理解される。「複数」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）を含んでいると理解される。「接続」という用語は、間接的「接続」および直接的「接続」を含むことができる。
【００７８】
本明細書における「一実施形態」、「実施形態」、「実施形態例」などへの参照は、記載された実施形態が特定の特徴、構造、または特性を含むことができるが、すべての実施形態が特定の特徴、構造、または特性を含んでも含まなくてもよいということを示している。さらに、そのような語句は必ずしも同じ実施形態を参照していない。また、特定の特徴、構造、または特性がある実施形態に関連して説明される場合、明示的に説明されるかどうかにかかわらず、他の実施形態に関連してそのような特徴、構造、または特性に影響を与えることは、当業者の知識の範囲内にあると考えられる。
【００７９】
以下では、説明の目的で、「上方」、「下方」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「上部」、「下部」という用語、およびこれらの派生語は、図面内で方向付けられている通りに、説明される構造および方法に関連しているものとする。「覆っている」、「上に（atop）」、「上に（on top）」、「上に位置する（positioned on）、または「上に位置する（positioned atop）」」という用語は、第１の構造などの第１の要素が、第２の構造などの第２の要素の上に存在しており、インターフェイス構造などの介在する要素が、第１の要素と第２の要素の間に存在し得るということを意味している。「直接的接触」という用語は、第１の構造などの第１の要素および第２の構造などの第２の要素が、これらの２つの要素のインターフェイスに中間の導電層、絶縁層、半導体層がいずれも存在せずに、接続されているということを意味している。
【００８０】
例えば「第２の要素に対して選択的な第１の要素」などの、「〜に対して選択的」という語句は、第１の要素をエッチングすることができ、第２の要素がエッチング停止として機能できるということを意味している。
【００８１】
「約」、「実質的に」、「近似的に」、およびこれらの変形の用語は、本願書の出願時に使用できる機器に基づいて、特定の量の測定に関連付けられた誤差の程度を含むよう意図されている。例えば、「約」は、特定の値の±８％または５％、あるいは２％の範囲を含むことができる。
【００８２】
本明細書において前述したように、簡潔にするために、超伝導デバイスおよび集積回路（ＩＣ）の製造に関連する従来技術は、本明細書において詳細に説明されることもあれば、説明されないこともある。しかし、背景の目的で、本発明の１つまたは複数の実施形態の実装に利用できる超伝導デバイス製造工程の概要が、ここで説明される。本発明の１つまたは複数の実施形態の実装に使用される特定の製造作業は個別に知られ得るが、本発明の説明された作業の組み合わせまたは得られる構造あるいはその両方は一意である。したがって、本発明に従って半導体デバイスの製造に関連して説明された作業の一意の組み合わせは、誘電体（例えば、シリコン）基板上の超伝導体に対して実行される、さまざまな個別に知られている物理的および化学的工程を利用し、それらの工程の一部が以下で説明される。
【００８３】
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さまざまな工程は、成膜、除去／エッチング、およびパターン形成／リソグラフィを含む、一般的なカテゴリに分類される。成膜は、材料をウエハー上で成長させるか、材料でウエハーを覆うか、またはその他の方法で材料をウエハーに移す、任意の工程である。使用可能な技術は、特に、物理蒸着（ＰＶＤ：physical vapor deposition）、化学蒸着（ＣＶＤ：chemicalvapor deposition）、電気化学堆積（ＥＣＤ：electrochemical deposition）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）、および最近の原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）を含む。除去／エッチングは、材料をウエハーから除去する任意の工程である。例としては、エッチング工程（ウェットまたはドライのいずれか）および化学機械平坦化（ＣＭＰ：chemical-mechanical planarization）などが挙げられる。導体（例えば、ポリシリコン、アルミニウム、銅など）および絶縁体（例えば、さまざまな形態の二酸化ケイ素、窒化ケイ素など）の両方の膜が、コンポーネントを接続するため、および分離するために使用される。リソグラフィは、基板へのその後のパターンの転写のための、半導体基板上への３次元レリーフ画像またはパターンの形成である。リソグラフィでは、パターンは、フォトレジストと呼ばれる感光性ポリマーによって形成される。回路の複雑な構造を構築するために、リソグラフィおよびエッチング・パターン転写のステップが複数回繰り返される。ウエハー上に印刷される各パターンが、すでに形成されているパターンに揃えられ、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。
【００８４】
図内のフローチャートおよびブロック図は、本発明のさまざまな実施形態に従って、製造方法または動作方法あるいはその両方の可能な実装を示す。方法のさまざまな機能／動作が、フロー図においてブロックで表されている。一部の代替の実装では、ブロックに示された機能は、図に示された順序とは異なる順序で発生することができる。例えば、連続して示された２つのブロックは、実際には、含まれている機能に応じて、実質的に同時に実行されるか、または場合によっては逆の順序で実行され得る。
【００８５】
本発明のさまざまな実施形態の説明は、例示の目的で提示されているが、網羅的であることは意図されておらず、開示された実施形態に限定されない。記載された実施形態の範囲および思想を逸脱することなく多くの変更および変形が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。本明細書で使用された用語は、実施形態の原理、実際の適用、または市場で見られる技術を超える技術的改良を最も適切に説明するため、または他の当業者が本明細書に記載された実施形態を理解できるようにするために選択されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【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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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月20日(2020.4.20)
【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】
第１の混合ポートおよび第２の混合ポートを含んでいる第１の混合デバイスと、
別の第１の混合ポートおよび別の第２の混合ポートを含んでいる第２の混合デバイスとを備えている超伝導デバイスであって、前記第１および第２の混合デバイスが、非縮退の三波混合超伝導デバイスであり、前記第１の混合ポートおよび前記別の第１の混合ポートが、第１の結合器に結合するように構成されており、前記第２の混合ポートおよび前記別の第２の混合ポートが、第２の結合器に結合するように構成されている、超伝導デバイス。
【請求項２】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが並列に結合されている、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項３】
前記第１の混合デバイスの前記第１の混合ポートおよび前記第２の混合デバイスの前記別の第１の混合ポートが第１の機能を有するように構成されている、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項４】
前記第１の混合デバイスの前記第２の混合ポートおよび前記第２の混合デバイスの前記別の第２の混合ポートが第２の機能を有するように構成されている、請求項３に記載の超伝導デバイス。
【請求項５】
前記第１の混合デバイスが第３の混合ポートを含んでおり、前記第２の混合デバイスが別の第３の混合ポートを含んでいる、請求項４に記載の超伝導デバイス。
【請求項６】
前記第１の混合デバイスの前記第３の混合ポートおよび前記第２の混合デバイスの前記別の第３の混合ポートが第３の機能を有するように構成されている、請求項５に記載の超伝導デバイス。
【請求項７】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが前記第１の結合器から信号を受信するように構成されている、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項８】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが、前記信号を前記第２の結合器に出力するように構成されており、前記信号が、前記第２の結合器が１つのポートを介して前記信号を出力するよう構成されるように、前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスによって変換されている、請求項７に記載の超伝導デバイス。
【請求項９】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが前記第２の結合器から信号を受信するように構成されている、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項１０】
前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスが、前記信号を前記第１の結合器に出力するように構成されており、前記信号が、前記第１の結合器が１つのポートを介して前記信号を出力するよう構成されるように、前記第１の混合デバイスおよび前記第２の混合デバイスによって変換されている、請求項９に記載の超伝導デバイス。
【請求項１１】
前記第１の結合器および前記第２の結合器が９０度ハイブリッド結合器であるか、
前記第１の結合器が９０度ハイブリッド結合器であり、前記第２の結合器が１８０度ハイブリッド結合器であるか、または
前記第１の結合器が１８０度ハイブリッド結合器であり、前記第２の結合器が９０度ハイブリッド結合器である、請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項１２】
超伝導デバイスを形成する方法であって、
第１の混合ポートおよび第２の混合ポートを含んでいる第１の混合デバイスを提供することと、
別の第１の混合ポートおよび別の第２の混合ポートを含んでいる第２の混合デバイスを提供することであって、前記第１および第２の混合デバイスが非縮退の三波混合超伝導デバイスである、前記提供することと、
前記第１の混合ポートおよび前記別の第１の混合ポートを第１の結合器に結合することと、
前記第２の混合ポートおよび前記別の第２の混合ポートを第２の結合器に結合することとを含んでいる、方法。
【請求項１３】
第１の信号合ポートおよび第２のアイドラー・ポートを含んでいる第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイスと、
別の第１の信号ポートおよび別の第２のアイドラー・ポートを含んでいる第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイスとを備えている超伝導４ポート・サーキュレータであって、前記第１および第２の混合デバイスが、非縮退の三波混合超伝導デバイスであり、前記第１の信号ポートおよび前記別の第１の信号ポートが、第１の結合器に結合するように構成されており、前記第２のアイドラー・ポートおよび前記別の第２のアイドラー・ポートが、第２の結合器に結合するように構成されている、超伝導４ポート・サーキュレータ。
【請求項１４】
超伝導４ポート・サーキュレータを形成する方法であって、
第１の信号ポートおよび第２のアイドラー・ポートを含んでいる第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイスを提供することと、
別の第１の信号ポートおよび別の第２のアイドラー・ポートを含んでいる第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイスを提供することであって、前記第１および第２の混合デバイスが非縮退の三波混合超伝導デバイスである、前記提供することと、
前記第１の信号ポートおよび前記別の第１の信号ポートを第１の結合器に結合することと、
前記第２のアイドラー・ポートおよび前記別の第２のアイドラー・ポートを第２の結合器に結合することとを含んでいる、方法。
【請求項１５】
超伝導４ポート・サーキュレータを動作させる方法であって、
第１の結合器のポートで信号を受信することであって、第１のジョセフソン・パラメトリック・デバイスおよび第２のジョセフソン・パラメトリック・デバイスが、前記第１の結合器および第２の結合器に並列に結合される、前記受信することと、
前記第２の結合器の事前に定義されたポートで前記信号を出力することとを含んでいる、方法。
【国際調査報告】
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