阅读说明：本技术 运行于微波频率的矢量信号发生器和产生矢量信号的方法 (Vector signal generator operating at microwave frequency and method for generating vector signal ) 是由 J·哥茨 M·莫托宁 J·哈塞尔 T·奥利卡宁 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：一种能够在微波频率上工作的矢量信号发生器,其包括微波谐振器(101)、用于将微波光子耦合出所述微波谐振器(101)的输出(102)、耦合到微波谐振器(101)的第一约瑟夫逊结或结阵列(104,201,401),其用于将微波信号发射到微波谐振器中。第一偏置电路(105),其设置用于向所述第一约瑟夫逊结或结阵列(104,201,401)施加第一偏置。可调谐衰减器(106)耦合到所述微波谐振器(101)。(A vector signal generator capable of operating at microwave frequencies comprises a microwave resonator (101), an output (102) for coupling microwave photons out of the microwave resonator (101), a first josephson junction or junction array (104, 201, 401) coupled to the microwave resonator (101) for emitting a microwave signal into the microwave resonator. A first bias circuit (105) arranged to apply a first bias to the first Josephson junction or junction array (104, 201, 401). A tunable attenuator (106) is coupled to the microwave resonator (101).)

运行于微波频率的矢量信号发生器和产生矢量信号的方法

技术领域

总体而言，本发明涉及这样的技术领域：产生具有所需频率、幅度和相位的时间整形信号，以用作在微波频率上工作的低温冷却电路的可控输入。具体地，本发明涉及在低温冷却环境内产生这种信号。

背景技术

量子纳米电子和量子计算等技术涉及使用非常特殊的电路，该电路在极低的温度下工作，这只能使用先进的低温冷却技术实现。微波频率上的振荡信号(几GHz甚至几十或几百GHz的数量级)用作这些电路的输入。因此需要能够以所需的频率、幅度和相位生成这种信号。可能需要连续波(CW)和脉冲信号两者。在涉及材料科学、自旋共振测量和通信的应用中可能出现类似的需求。

产生所述类型信号的传统方法涉及在室温下使用基带信号发生器和微波混频器，并通过同轴电缆、滤波器和级联热化级的布置而将信号由此馈送到低温恒温器。传统方法涉及许多缺点，包括但不限于所需设备的庞大和高成本、传输线上不可避免地发生需要衰减的热噪声、和任何反馈控制循环的相对长的延迟。随着纳米电子电路变得更复杂，这些问题变得更加困难，因为信道的数量可能显著增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种信号源，其用于以所需的频率、幅度和相位产生连续波和脉冲输入信号给低温冷却的纳米电子电路，同时避免或至少减轻上述现有技术的问题。本发明的特别目的是该解决方案应该是可扩展的，以便在大量信道上工作，同时将低温恒温器的热负荷维持在低水平。本发明的另一个目的是信号源电路的至少重要部分可以集成到公共基板上，以便局部地使用所产生的信号，而无需与芯片连接的外部微波线。

利用纳米电子集成电路器件实现本发明的这些和另外的有利目的，该器件结合了可调谐频率微波源、具有可控内部和外部质量因子的谐振器、以及可控的2*pi移相器。可以使用外部施加的电压脉冲来控制该器件。

根据第一方面，提供了一种能够在微波频率上工作的矢量信号发生器。矢量信号发生器包括微波谐振器、用于将微波光子耦合出所述微波谐振器的输出、以及第一约瑟夫逊结或结阵列。所述第一约瑟夫逊结或结阵列耦合到微波谐振器，用于将微波信号发射到微波谐振器中。矢量信号发生器包括：第一偏置电路，用于向所述第一约瑟夫逊结或结阵列施加第一偏置；以及可调谐衰减器，其耦合到所述微波谐振器。

根据一个实施例，所述可调衰减器包括SINIS结构和第二偏置电路，其用于向所述SINIS结构施加第二偏置，以控制电子在隧穿所述SINIS结构中从所述谐振器吸收微波光子的速率。SINIS结构包括超导体-绝缘体-普通导体-绝缘体-超导体链。这涉及的优点是，所述第二偏置电压可用于控制从微波谐振器吸收微波光子的冷却速率。

根据一个实施例，所述可调谐衰减器包括耦合到所述微波谐振器的可调谐谐振频率的第二耗散谐振器。这涉及的优点是，结构上相对简单的解决方案可用作可调谐衰减器。

根据一个实施例，所述输出包括可控耦合器。这涉及的优点是，微波谐振器的外部质量因子可以独立调谐。

根据一个实施例，所述可控耦合器包括具有初级侧和次级侧的转换器，转换器的所述初级侧耦合到所述微波谐振器。所述转换器包括可调谐电感，用于通过所述转换器调谐从所述微波谐振器耦合出微波光子的耦合效率。这涉及的优点是：可控耦合器的操作是众所周知的，并且可以利用相对简单的控制布置灵活地控制；并且可以使输出耦合中的不希望的衰减变小。

根据一个实施例，所述可调谐电感包括位于所述转换器的所述初级侧上的第二约瑟夫逊结或结阵列，并且所述矢量信号发生器包括用于将第三偏置施加到所述第二约瑟夫逊结或结阵列的第三偏置电路。这涉及的优点是：可控耦合器的操作是众所周知的并且可以利用相对简单的控制布置控制；并且可以使输出耦合中的不希望的衰减变小。

根据一个实施例，所述可控耦合器包括来自所述微波谐振器的至少两个输出和可控组合器电路，所述可控组合器电路配置成选择性地将来自所述至少两个输出的微波信号引导到公共外部耦合电路。这涉及的优点是，可以使用相对简单的结构来实现输出耦合中的至少一些可控性。

根据一个实施例，矢量信号发生器包括可控移相器，其耦合到所述微波谐振器的所述输出，用于控制从所述微波谐振器耦合出的微波信号的相位。这涉及的优点是，可以产生所需相位的微波信号。

根据一个实施例，所述可控移相器包括至少三个可调谐元件，所述可调谐元件沿着从微波谐振器的所述输出引出的传输线耦合在不同位置，其中所述可调谐元件选自可调谐谐振器、直流超导量子干涉器(DC SQUID)和量子比特。这涉及的优点是，可以以非常低的损耗产生至少π弧度的可控相移。

根据一个实施例，所述可控移相器包括至少五个所述可调谐元件，所述可调谐元件沿着所述传输线耦合在不同位置。这涉及以非常低的损耗将可控相移范围增加到可实现相移的整个2π范围的优点。

根据一个实施例，每个所述可调谐谐振器包括用于与所述传输线耦合的耦合元件、耦合在所述耦合元件和参考电位之间的DC SQUID、以及所述DC SQUID的磁通偏置线，所述磁通偏置线用于控制穿透所述DC SQUID的SQUID循环的磁通量。这涉及所需相移的精确和无损可控性的优点。

根据一个实施例，所述可调谐谐振器沿着所述传输线的相互距离定位为所述微波谐振器的微波工作频率的波长的四分之一。这涉及以非常小的损失实现整个2π可控性的优点。

根据一个实施例，所述微波谐振器是可调谐微波谐振器，其允许其谐振频率在调谐范围内调谐；矢量信号发生器包括耦合到所述输出的滤波器；并且所述微波谐振器的谐振频率的调谐范围允许选择性地将所述谐振频率调谐到所述滤波器的停止频率或通过频率。这涉及的优点是，甚至在非常短的时间尺度下，也可以以高效的方式进行所产生的微波信号的通断切换。

根据一个实施例，所述滤波器是无反射高通滤波器。这涉及的优点是，开/关切换引起非常小的额外损失。

根据一个实施例，矢量信号发生器包括注入锁定输入，用于将种子音输入微波谐振器。这涉及强烈降低输出微波信号的线宽的优点。

根据一个实施例，所述注入锁定输入和所述可控耦合器位于所述微波谐振器的相对端。这涉及以下优点：种子锁定和(可控的)输出耦合可以以结构上有利的方式彼此独立地完成。

附图说明

附图示出了本发明的实施例，其被包括以提供对本发明的进一步理解并构成本说明书的一部分，并且与说明书一起有助于解释本发明的原理。在附图中：

图1是矢量信号发生器和一些支持系统的系统级概览，

图2示出了微波谐振器的可调谐激励的示例，

图3示出了微波谐振器的可调谐激励的示例，

图4示出了微波谐振器的可调谐激励的示例，

图5示出了分流约瑟夫逊结的等效电路图，

图6示出了SINIS链的示例，

图7示出了包括SINIS链的可调谐衰减器的示例，

图8示出了SINIS链中的能级，

图9示出了可控耦合器的示例，

图10示出了可控移相器的示例，和

图11示出了无反射滤波器的示例。

具体实施方式

在本文中使用诸如“第一”，“第二”等数字描述符仅仅是为了区分具有相似名称的部分。数字描述符不应被解释为表示任何特定顺序，例如任何特定结构中的优先顺序、制造顺序或出现顺序。

将具有可控频率、相位和幅度的微波信号馈送到低温恒温器中的量子比特或其他纳米电子电路的传统方法包括，在室温下产生信号并使用传输线和滤波器的布置将它们馈送到低温恒温器内部。故意引入的消除热波动所必需的衰减也会破坏绝大部分有用功率。这种布置的效率(限定为最终使用的功率与最初产生的功率的比)太差，使得产生超过1dBm的信号并且仅以低于-100dBm的方式使用它们并不罕见。在低温恒温器内部生成具有所有期望的可控性特征的信号使得能够将该效率提高多个数量级，同时能够简化低温环境内部和外部之间需要的许多连接。

这里描述的矢量信号发生器是控制量子工程、量子计算和量子传感领域中的量子电路的器件。它是一种信号源，提供明确限定的幅度和相位的微波脉冲，运行于毫开尔文范围的低温。同步约瑟夫逊结或类似的微波信号源耦合到微波谐振器，以提供相干微波信号，其幅度和相位可以由可调谐衰减器控制。可调谐移相器可用于控制产生的信号的相位。矢量信号发生器可以在相空间中使用完全IQ控制输出微波脉冲。

本文考虑了三个主要方面。首先是存在一种可以独立调谐谐振器内部和外部的质量因子的器件。这种自由允许控制该器件发射的微波功率同时保持其总线宽恒定。此外，控制外部和内部质量因子使得能够快速控制发射的微波功率，因为改变总质量因子可能引起瞬变，其持续时间对应于从数十到>10⁶个发射微波信号的振荡周期。在很多应用中，例如那些需要尖锐的微波脉冲的应用中，这是不能容忍的。可以通过保持总质量因子恒定同时调整外部和内部质量因子来实现快速控制。使用可调谐衰减器，优选地实现为量子电路制冷器(quantum-circuit refrigerator，QCR)。可以在谐振器和外部传输线之间使用可调谐耦合器。

第二个主要方面是QCR本身。它提供矢量信号发生器发出的热噪声的主动降低。该功能对于高相干量子器件的工作非常有利，其中耗散和失相通常受控制线的剩余热占用限制。此外，它允许使用矢量信号发生器作为固有校准的噪声源。

第三个主要方面是一种新型的移相器，其具有能够引起整个2π相移的显著优点。这种扩大的动态范围可以通过增加从3到5甚至更多的非线性元件的数量实现。

矢量信号发生器可输出具有几吉赫兹的载波频率的脉冲，即使它仅通过电压脉冲运行。该器件的两种基本工作模式可以定义为连续波(CW)模式和脉冲模式。在CW模式中，微波发生器的典型特征如频率调制、幅度调制和噪声产生是可能的。在脉冲模式下，器件可以输出具有亚纳秒分辨率的任意波形。

矢量信号发生器可能对量子计算和量子传感中的未来技术产生显著影响，但也可能对材料科学、自旋共振和通信等经典应用领域产生显著影响。该器件降低的输出噪声将改善量子电路例如量子比特、微波谐振器和参量放大器的操作保真度。

在一个有利的实施例中，矢量信号发生器的许多主要元件可以集成在单个基板上或信号封装中，并安装在通用连接器样品盒中，其可以附接到低温冷却系统的合适部分。如上所述，在矢量信号发生器中，频率可调微波源可以通过至少可调谐衰减器(并且优选地也是可调谐移相器)来控制幅度和相位。为了在器件处于关闭状态时使输出功率最小化，可以将其调谐到滤波器的阻带中，该滤波器优选地是所谓的无反射滤波器。

图1示意性地示出了能够在微波频率上工作的矢量信号发生器的原理。图1示出的矢量信号发生器位于低温恒温器内部，该低温恒温器能够将其感兴趣的器件所在的目标区域维持在所需大小的低温下。所述温度通常低于1K，优选低于100mK，并且在某些情况下甚至可低于10mK。包括稀释制冷器的低温冷却装置与适当的预冷却、绝缘和辐射屏蔽一起可用于实现和维持低温恒温器内部的所需低温。接口用于允许电源和信号线在低温恒温器的内部和外部之间通过。在外部，一个或多个控制计算机通常用于产生向低温恒温器内部电路的输入，并存储和分析从低温恒温器内部电路的输出。设置低温环境和控制装置以及提供所需接口的技术是公知的，因此这里不需要更详细地考虑。

矢量信号发生器包括微波谐振器101和输出102，其中输出102设置用于将来自微波谐振器101的所需信号引导到要使用所需信号的一些其他电路。在图1的示意图中，这种其他电路表现为外部耦合电路120。这里不需要对外部耦合电路120包括的内容或者信号的用途设置任何限制。作为说明性示例，外部耦合电路120可以包括一个或多个量子比特，其待被激励和/或其状态待利用具有受控的频率、相位和幅度的微波信号进行检查。输出102可以包括可控耦合器103，用于可控地将微波光子耦合出微波谐振器101。使用可控耦合器不是必需的，但它能够实现一定的优点。输出102的该部分和其他部分将在下文更详细地描述。

优选地，微波谐振器101是超导谐振器。它可以实现为分布式传输线谐振器例如微带谐振器或共面波导谐振器，或由集总元件形成的谐振器。它可以是四分之一波长或半波长的谐振器。对于以下讨论，足以假设微波谐振器101具有吉赫兹范围内的基本共振频率。有利的是，使用在低损耗基板(例如高电阻率硅或蓝宝石)上制造的低损耗超导谐振器。不排除使用有损谐振器，但通过与非线性的约瑟夫逊效应相互作用，使用有损谐振器会降低输出功率，其取决于总质量因子Q＝Q_extQ_int/(Q_ext+Q_int)，其中Q_ext和Q_int分别是外部和内部质量因子。

为了激发和维持微波谐振器101中的谐振振荡，需要微波源用于将微波信号发射到微波谐振器101中。为此，矢量信号发生器包括耦合到微波谐振器101的第一约瑟夫逊结(JJ)或结阵列104。其他种类的微波源也是已知的并可以使用，例如热发射器、散粒噪声源、耿氏二极管、激光等。然而，约瑟夫逊结或结阵列104具有许多优点，例如与这里描述的其他电路元件的良好技术兼容性，以及所产生的信号的有利相干性和固有功率水平，这些优点提倡将其用作微波源。这里认为结阵列的概念也涵盖DC超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)，其是形成环路的两个结的并联电路。可以通过调节通过环路的磁通量来控制作为微波源的DC SQUID的操作。

下面描述基于第一约瑟夫逊结或结阵列104实现微波振荡器的几个示例。然而，应该注意的是，这些仅是示例并且可以使用其他类型的振荡器，如从D.R.Gulevich等，Phys.Rev.B 96，024515(2017)中已知的磁通流动振荡器，或者从Z.R.Lin等，Nat.Commun.5，4480(2014)中已知的参量振荡器。根据参数范围，共振耦合的约瑟夫逊结或结阵列可以处于经典振荡器状态或经历相位转变到激光态。两种方案都使用AC约瑟夫逊效应以产生相干微波信号，该信号由微波谐振器101拾取。

矢量信号发生器包括第一偏置电路105，用于向约瑟夫逊结或结阵列104施加第一偏置。第一偏置电路105的作用是使约瑟夫逊结或结阵列104产生在所需频率的微波信号。可以使用电压用于偏置，因为施加在约瑟夫逊结上的偏置电压使其在一个频率处谐振，所述频率取决于所施加的偏置电压的值。可选地或另外地，可以使用电流偏置，或者可以用电流引起磁通偏置。偏置原理是将结偏置到与平均电压V_b相对应的工作点，以引起所谓的夏皮罗台阶(Shapiro step)。

图2至图4示出了实现图1的第一约瑟夫逊结或结阵列104和第一偏置电路105的一些示例性方法。水平线代表微波谐振器101；其可以认为是，例如，传输线型的微波谐振器的中心导体。

在图2的实施例中，两个约瑟夫逊结的并联耦合201对应于图1中的第一约瑟夫逊结或结阵列104的概念。两个约瑟夫逊结的并联耦合201的第一侧耦合到谐振器的电压波腹。两个约瑟夫逊结的并联耦合201的对立侧耦合到地。偏置电压V_b通过高电感片上线路202并通过电阻器中心导体施加。偏置电压源203的高电感耦合可以在谐振器的电压波节处或附近进行，以便减少到偏置线路的谐振器损耗。

图3示出了偏置方案，其除了差分在其他方面类似于图2，使得在图2中偏置电压源203的耦合到地的节点耦合到两个约瑟夫逊结的并联耦合201的下侧。因此，通过电容301存在到地的耦合。这种差分偏置可以实现比图2的实施例更高的电压稳定性。

图4示出了电流偏置的示例。约瑟夫逊结401放置在谐振器的电压波节处并且用分流电阻器402分流。偏置电流源403耦合于约瑟夫逊结401和分流电阻器402。

分流或非分流的约瑟夫逊结可以偏置到与偏置电压Vb相对应的亚稳状态。电压偏置的约瑟夫逊结可以在两种状态下工作：在经典同步状态或激光状态。这两种状态取决于该结的约瑟夫逊能量E_J＝Φ₀I_c/2π，其中，

是磁通量子，并且I_c是该结的临界电流。更具体地，该状态由结和谐振器之间的耦合强度分开，即，如果λ＜＜1，则为经典状态；如果λ＞＞1，则为激光状态。这里，是谐振器电感，其中C_r是谐振器电容。通过将结实现为DC SQUID，可以在两种状态之间进行调谐，正如M.C.Cassidy等，Science 355，939(2017)中所述。

因为结可以偏置以发射恒定功率，并且发射辐射的幅度可以用可调谐衰减器并且优选地还是可调谐耦合器来调谐，所以可以针对相位相干性来优化偏置电压。对于理想系统，施加到结的所有输入功率P_in＝V_bI_b，被转换成具有功率P_out的发射微波辐射。在这种情况下，该器件以P_out＝ω_rI_cΦ₀/2π的量级发出输出功率，对于典型参数

和其可以是几nW。

在分流和非分流结中，非分流结具有一些基本的好处，例如更少的制造步骤，更高的效率和更少的相位噪声。电阻分流结的一个很大的优点是它的滞后性较小，因此使用起来更简单。此外，众所周知，在等离子体频率以上工作的结具有很强的相位锁定到外部或自生信号的趋势。因此，通常有利的是，对于低于10GHz的频率范围，使用附加的电容分流来降低有效等离子体频率。

图5显示了谐振器(ω_r/2π＝5.9GHz)内部的分流结(I_c＝10μA)的等效电路图，它通过具有电感L_bond＝2nH的接续线而电感耦合。使用该模型来模拟系统的动态，可以获得由矢量信号发生器发射的时间依赖的电压。对于合适的偏置电流，其可以是例如大约10微安的量级，结与谐振器同步，并且相干辐射被发射到50欧姆的负载Z_load中。已经发现，发射到负载电阻器中的模拟时间分辨电压遵循清晰的正弦行为，其中振荡周期接近于谐振频率ω_r/2π的振荡周期。其幅度可以是例如几微安的量级，并且循环时间可以是几分之一纳秒的量级。

对于分流结，效率η＝p_out/p_in可以是优化器件参数的统一的重要部分。输出功率可以超过100pW，这足以驱动通常在几个微微微瓦(attowatts)下工作的量子电路。通过使用更高的分流电阻或通过将一个以上的结集成到谐振器中，可以进一步增加输出功率。可选地，可以使用不分流的结，其可以接近单位效率工作。

对于分流结，典型的上升时间可能低于10ns。如上所述，可以通过同时调整外部和内部质量因子来增强该上升时间。这意味着该器件可以在触发模式下使用，其中微波信号在需要实际脉冲之前不久打开并且在脉冲之后立即关闭。因此，输出在其余时间完全关闭。对于信号泄漏是不利的应用来说，这种工作模式是高度理想的。在触发模式下，该器件将接近真空状态，其中残留热量可通过QCR最小化，如下所述。

在λ＞＞1的激光状态，系统处于非线性状态。在这种状态下，如果施加在约瑟夫逊结上的电压偏置导致光子发射到谐振器中，其中n是指数

并且e是电子电荷。如果到谐振器的库珀对发射率Γ_cp超过系统的总损耗率κ_tot，则这些光子可以被该结再吸收再发射，这一过程类似于原子激光系统中的受激发射。在这种状态下，由于效率接近统一，可以显著增加输出。这种行为的原因是，结也会发射到更高阶谐振器模式，其可以通过约瑟夫逊结的非线性而降频变换到基本谐振器频率。通常，该器件可以在量子极限附近工作，其线宽由谐振器中光子数的热波动确定。

回头参考图1，示出了到微波谐振器101的调谐耦合112。这种特征有利于实现更灵活的频率调谐。对于耦合到裸谐振器的约瑟夫逊结，发射的频率受限于振荡电路的不同谐波模式。频率可调性可以通过原位控制该模式频率来实现，例如通过将DC SQUID或其他调谐元件113嵌入谐振器101中以调谐有效电感并因此调谐振荡器的频率。

假设调谐元件113是DC SQUID，修正的谐振频率ω₀(Ф_sq)≈ω_r[1+(L_sq(Ф_sq)/L_r)]^-1取决于依赖磁通量的SQUID电感L_sq(Ф_sq)＝Ф₀/[4πI_c|cos(πФ_sq/Ф₀)|]。这里，Ф_sq是穿过SQUID环路的磁通量，其可以通过片上磁通线控制。对于实际的器件参数，可调谐性可以是例如从2GHz至10GHz，这适合于控制在编写本文时的大多数现有技术的量子电路。使用宽带片上磁通线，谐振器频率可以在纳秒时间尺度上调谐。

图1的矢量信号发生器包括耦合到微波谐振器101的可调谐衰减器106。可调谐衰减器的使用是有利的，因为它可以用作控制发射信号幅度的一部分：谐振器内部的可调谐耗散代表衰减电磁场的受控方式。控制发射信号幅度的另一部分与可控耦合器103有关，这将在本文后面描述。可调谐衰减器106优选地是本文前面提到的量子电路制冷器(QCR)。

最优选地，可调衰减器106包括SINIS结构，以及用于向所述SINIS结构施加第二偏置的第二偏置电路107。在这种布置中，第二偏置的作用是控制电子在隧穿SINIS结构中吸收来自谐振器的微波光子的速率。首字母缩写词SINIS来自五个区域的链：超导体(S)-绝缘体(I)-普通导体(N)-绝缘体(I)-超导体(S)。

图6示出了SINIS结构的可能的物理实现的示例。一块普通导体601(例如在低温下不会变成超导的金属)具有从其一个直边突出的两个叉脚602和603。两个尖头条带604和605由在低温下变为超导的材料制成，其设置为使得两个薄绝缘屏障606和607留在每个叉脚和条带的相互面对的尖端之间。绝缘屏障606和607可以由例如氧化物制成。该结构的相对尺寸仅在图6中示意性地示出。在实际结构中，每个叉脚602和603可以是例如约1μm长和250nm宽，并且绝缘屏障606和607的厚度可以在亚纳米或单个纳米范围内。在该块普通导体601与条带604和605可以继续到用于将它们耦合为更大电路的一部分的相应器件或联接垫的位置处示出为波浪轮廓。

图7示出了可调谐衰减器106的示例，其包括电路图形式的SINIS结构701。顶部的水平线代表微波谐振器101。存在从SINIS结构的普通导体部分到微波谐振器101的电容耦合702。可以使用电流耦合(galvanic coupling)来代替图7中所示的电容耦合702。超导体部分中的一个耦合到地，而另一个超导体部分耦合到第二偏置电路107。概念V_qcr用于第二偏置电路107中的偏置电压的值。

图8示出了接地超导体部分(左侧的S)、普通导体部分(中间的N)和偏置的超导体部分(右侧的S)中的相对能级。每个超导体部件中的可允许能级表现出间隙2Δ，其中Δ是超导间隙电压。偏置使得偏置的超导体部分中的整组可允许的能级在能量轴上向上滑动，如图8中右侧示意性所示。从微波谐振器101吸收的微波光子可以允许电子从偏置超导体部分隧穿到普通导体部分，并进一步到接地超导体部分，如图8中从右下方朝左上方的箭头所示。

在的偏置电压中，光子吸收速率随V_qcr呈指数增加。该工作状态可用于控制发射光子的速率Γ_out(V_qcr)＝Γ_cpη(V_qcr)。这里η(V_qcr)＝κ_ext/κ_tot(V_qcr)是电压控制效率，其中系统的总损耗率κ_tot(V_qcr)＝κ_ext+κ_int+Γ_qcr(V_qcr)取决于外部耦合率κ_ext、内部损耗率κ_int和QCR引起的耗散Γ_qcr。因为Γ_qcr可以调谐几个数量级，矢量信号发生器的幅度可调性可以具有相似的动态范围。在第二偏置电路107中使用的电压控制脉冲可以在非常短的时间尺度上成形，这允许以亚纳秒精度调谐QCR的耗散效应。

除了控制矢量信号发生器的发射功率之外，根据QCR原理操作的可调谐衰减器允许操纵发射场的有效温度，以改善器件的噪声特性。特别地，QCR可用于通过光子辅助单电子隧穿来冷却矢量信号发生器的输出噪声。对于超导间隙附近的偏置电压QCR具有足够的冷却功率以降低谐振器的有效模式温度。因此，每当矢量信号发生器处于其断开状态时，发射到50欧姆传输线的电磁场可以被冷却到接近量子极限。在QCR中，发射场可以冷却到普通金属岛的电子温度的一半，其可以被热化到大约30mK或更低。对于受控电路的退相干特性随热噪声而强烈地降低的量子工程中的许多应用来说，这种输出场的主动冷却是重要的。

额外地或可选地，可调谐衰减器106可以包括具有内部损耗率κ_int，2＞＞κ_int，κ_ext的第二耗散谐振器。如果使用的话，这种第二谐振器能够以耦合强度g与微波谐振器101电感耦合或电容耦合。这种耦合允许第二谐振器中的光子耗散，这些光子由约瑟夫逊结以速率Γ_cp产生。可以通过使第二谐振器磁通量可调来调节耗散率。在这种情况下，耦合强度g是磁通依赖的，并且发射的幅度取决于两个谐振器之间的失谐。使用该技术，可以实现几个数量级的可调阻尼率。由于散热器(或QCR)的色散偏移引起的任何可能的频率变化可以通过改变通过主振荡器的SQUID的磁通量来补偿。

回头参考图1，在本文前面已经指出，矢量信号发生器的输出102可以包括可控耦合器103，用于可控制地将微波光子耦合出微波谐振器101。图9示出了这种可控耦合器103的一个示例。图9中所示的可控耦合器103位于微波谐振器101的一端，并包括具有初级侧和次级侧的转换器901。基本上可控耦合器可以位于谐振器的任意位置，但是基于例如结构简单性和/或工作效率，某些位置可能比其他位置更有利。例如，如果使用半波长谐振器，则电感耦合器的有利位置可以是靠近谐振器的中间，即谐振器的电流波腹所在的位置。转换器901的初级侧耦合到微波谐振器101；在图9中，它位于谐振器的电流波腹所在的微波谐振器101的端部。转换器901包括可调谐电感，用于通过转换器901调节将微波光子耦合出微波谐振器101的耦合效率。

特别地，可调谐电感包括位于转换器901的初级侧的第二约瑟夫逊结或结阵列902。图1可见，矢量信号发生器包括第三偏置电路108，用于将第三偏置施加到第二约瑟夫逊结或结阵列902。应当注意的是，图9中所示的示例只是实现转换器的一种方式。电感器和约瑟夫逊结或结阵列可以是许多配置。转换器可以是也包括电容的谐振结构。

上面解释了如何控制具有可调耗散κ_int的矢量信号发生器的输出功率来改变器件的总带宽κ_tot＝κ_ext+κ_int。为了补偿这种影响，可控耦合器103可用于调节谐振器和输出线之间的外部耦合强度κ_ext。可以使用与超导电路兼容的任何可调谐耦合元件。可以使用的许多有利实施例均基于单个约瑟夫逊结和射频超导量子干涉器(RF SQUID)，其是电流偏置的或磁通偏置的，并且可达到高达30dB的开/关比。

实现可控耦合器103的另一种方式可以涉及具有来自微波谐振器101的多个输出和用于以各种方式通过各种输出来组合信号的可控器件。可控耦合器103可以包括来自微波谐振器101的至少两个输出和可控组合器电路，所述可控组合器电路配置为选择性地将来自至少两个输出的微波信号引导到公共外部的耦合电路120。如果不需要输出耦合的可控性，则可以使用任何传统类型的更简单、不可控的输出耦合器。

回头参考图1，矢量信号发生器可以包括可控移相器109，其耦合到微波谐振器101的输出102，用于控制从微波谐振器101耦合出的微波信号的相位。相移控制电路110用于引导一个或多个相移控制信号到可控移相器109。

为了最好地满足多功能微波信号源的需要，希望在尽可能宽的范围内具有相移能力，最优选地在整个2π范围内。同时非常希望可控移相器将引起尽可能少的反射和衰减。

根据一个实施例，可控移相器109包括至少三个可调谐元件，其耦合在沿着从微波谐振器101的输出102引出的传输线的不同位置处。这里，可调谐元件意味着部件和/或子电路，其具有例如可调谐谐振频率、和/或与传输线的可调谐耦合强度、和/或传输线与参考电位(例如地电位)之间的可调阻抗。可以有利地用作可调谐元件的元件包括但不限于可调谐谐振器、DC SQUID和量子比特。

图10示出了可控移相器109的示例，其包括沿传输线1002耦合在不同位置的可调谐元件1001。这里可以假设传输线1002是微波谐振器的输出和外部耦合电路的输入之间的传输线，并且它可以实现为例如共面波导(coplanar waveguide，CPW)传输线。作为细节，示出了到传输线1002的(电容)耦合1003和作为可调谐元件的实际可调谐部分的DCSQUID1004。片上磁通偏置线(图10中未示出)可用于影响通过SQUID回路的磁通量，并因此影响每个可调谐元件1001的谐振频率。如果需要的话，电感矩阵技术可用于解释不同的片上磁通偏置线之间的可能的交叉耦合。在图1的示意图中，磁通偏置线包括在相移控制电路110中。

已经发现，虽然图10中所示类型的并沿着传输线1002耦合的三个可调谐元件可以在一定程度上产生可控相移，但是当可控移相器109包括沿传输线1002在不同位置处耦合的至少五个可调谐元件1001时，可以实现更大的控制范围，如图10所示。如在以下段落中所示，利用这样的五个可调谐元件，可以实现整个2π范围的相移，同时具有最小的信号衰减。

根据一个实施例，每个可调谐元件1001包括具有转换频率ω_ps的谐振器。它们中的每一个根据发射信号和谐振器之间的失谐δ＝ω_r-ω_ps修改复散射系数S₂₁。此外，散射系数取决于可调谐元件沿传输线1002的相对距离以及它们与传输线1002的相对耦合强度。在图10中，符号Γ用于第一可调谐元件和第五可调谐元件的耦合强度。

第二可调谐元件和第四可调谐元件的耦合强度是γ₁Γ，第三可调谐元件的耦合强度是γ₂Γ，其中γ₁和γ₂是比例系数。第一可调谐元件和第二可调谐元件之间的距离以及第四可调谐元件和第五可调谐元件之间的距离是L。第二可调谐元件和第三可调谐元件之间的距离以及第三可调谐元件和第四可调谐元件之间的距离是ξL，其中ξ是比例系数。L的值可以是例如传输线1002上的微波信号的波长的四分之一。比例系数的合适值可以通过数学分析、和/或模拟、和/或实验找到。

通过如下数学分析获得引起整个2π范围相移的示例参数值。通过固定L＝λ/4和ξ＝1，复散射系数变为通过设置来实现信号的完全传输，即|S₂₁|²＝1。最后，固定γ₁＝3引起这样的相移：其通过使γ₂在0到4之间的连续范围值变化，可以在整个2π范围内调谐。

回头参考图1，矢量信号发生器包括耦合到微波谐振器101的输出102的滤波器111。如果微波谐振器101是允许谐振频率在调谐范围内调谐的可调谐微波谐振器，则滤波器111可以发现特别用途。即，该调谐范围可以允许将微波谐振器的谐振频率选择性地调谐到滤波器111的停止频率或通过频率。这可以分别作为设置矢量信号发生器的输出关闭或打开的一部分来完成，正如下面更详细描述的那样。

为了将开/关比增加到高于上述基于耗散的幅度控制和可调谐耦合可实现的值，可以使用上面引入的附加的基于滤波器的方法。这种方法的想法是当没有输出信号从矢量信号发生器出来时，将谐振器调谐到合适的高通滤波器的阻带。这可以将矢量信号发生器的开/关比增加几个数量级。

图11示意性地示出了耦合到传输线1002的所谓的无反射高通滤波器111的一个示例。通过选择具有大约3GHz的截止频率的合适的无反射高通滤波器，如果谐振器调谐到2GHz，则可以吸收大约25dB的发射功率。级联四个串联滤波器可将输出功率抑制100dB，这足以产生高保真控制脉冲。因为可以在纳秒时间尺度上控制谐振器频率，所以开/关功能与在撰写本文时商业上可获得的最先进的室温微波脉冲发生器相当。

除了到目前为止所描述的示例之外，矢量信号发生器可以适于通常可用于信号发生器的附加模式中的工作。这些工作模式包括但不限于频率调制，幅度调制和噪声输出。可以通过分别调制谐振器SQUID和QCR中的控制磁通量和电压来实现频率和幅度调制。根据控制线的带宽，调制频率可以达到GHz范围。

通过偏置QCR超过超导间隙电压V_qcr＞2Δ/e，可以产生噪声输出。在这种状态下，矢量信号发生器发射非相干微波光子，其可用于功率校准目的或研究量子电路对外部高频噪声的反应。对光子发射过程的良好理论理解允许以非常高的精度预测输出噪声的功率。因此，矢量信号发生器可以用作功率敏感测量的校准噪声源。

根据实施例，矢量信号发生器可以包括注入锁定输入，用于将所谓的种子音(seedtone)输入微波谐振器101。如果微波谐振器101是具有两端的线性结构，则注入锁定输入(如果存在)和可控耦合器103可以位于微波谐振器101的相对端。通过向矢量信号发生器馈送低功率相干种子音的注入锁定强烈地减小了输出信号的线宽。该技术还允许集成外部频率参考。为了复用许多波形发生器的参考，SIS或约瑟夫逊混频器可用作倍频器。

操作矢量信号发生器所需的不同供电电压可以从室温电压源或从另一个低温控制器获取，该低温控制器接收恒定的工作电压，例如5V，并调节几个多路输出。

对于本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以各种方式实现。因此，本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。