阅读说明：本技术 使用具有非重叠带宽的级联多路干涉测量约瑟夫逊定向放大器选择性放大频率复用微波信号 (Selective amplification of frequency multiplexed microwave signals using cascaded multi-path interferometric josephson directional amplifiers with non-overlapping bandwidths ) 是由 B.阿卜杜 于 2018-01-05 设计创作，主要内容包括：一种级联选择性微波定向放大器(级联体),包括约瑟夫逊器件的集合,所述集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的对应操作带宽。不同的操作带宽具有不同的对应中心频率。串联耦合被形成在来自所述集合的第一约瑟夫逊器件与来自所述集合的第n约瑟夫逊器件之间。串联耦合使得第一约瑟夫逊器件在通过串联耦合的第一信号流方向上放大来自频率复用微波信号(复用信号)的第一频率的信号,并且使得第n约瑟夫逊器件在通过串联的第二信号流方向上放大第n频率的信号,其中第二信号流方向与第一信号流方向相反。(A cascaded selective microwave directional amplifier (cascade) comprising a set of josephson devices, each josephson device in the set having a corresponding operating bandwidth at a microwave frequency. Different operating bandwidths have different corresponding center frequencies. A series coupling is formed between a first josephson device from the set and an nth josephson device from the set. The series coupling causes the first josephson device to amplify a signal at a first frequency from the frequency multiplexed microwave signal (multiplexed signal) in a first signal flow direction through the series coupling, and causes the nth josephson device to amplify a signal at an nth frequency in a second signal flow direction through the series coupling, wherein the second signal flow direction is opposite to the first signal flow direction.)

使用具有非重叠带宽的级联多路干涉测量约瑟夫逊定向放大 器选择性放大频率复用微波信号

技术领域

本发明一般涉及在量子计算中可与超导量子比特一起使用的用于频率复用微波光放大器的器件、制造方法和制造系统。更具体地说，本发明涉及一种用于使用以非重叠带宽的级联多路干涉测量约瑟夫逊定向放大器来选择性放大频率复用微波信号的器件、方法和系统，其中这些定向放大器基于非简并三波混频约瑟夫逊器件。

背景技术

在下文中，除非在使用时明确区分，否则短语的词中的“Q”前缀指示在量子计算上下文中引用该词或短语。

分子和亚原子粒子遵循量子力学的定律，量子力学是探索物理世界如何在最基本的水平上工作的物理分支。在这个水平，粒子以奇怪的方式表现，同时呈现多于一个状态，并且与非常远的其他粒子相互作用。量子计算利用这些量子现象来处理信息。

我们现在使用的计算机被称为经典计算机(这里也称为“传统”计算机或传统节点，或“CN”)。传统的计算机使用传统的处理器，该处理器使用半导体材料和技术、半导体存储器和磁或固态存储设备来制造，这被称为冯诺依曼架构。特别地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。

量子处理器(q处理器)使用纠缠量子比特器件(在本文中被紧凑地称为“量子比特”、多个“量子比特”)的奇数性质来执行计算任务。在量子力学操作的特定领域，物质粒子可以以多种状态存在，例如“开”状态、“关”状态以及同时“开”和“关”状态。在使用半导体处理器的二进制计算限于仅使用ON和OFF状态(等效于二进制码中的1和0)的情况下，量子处理器利用这些物质的量子状态来输出可用于数据计算的信号。

常规计算机以比特对信息进行编码。每个比特可采用1或0的值。这些1和0用作最终驱动计算机功能的开/关(on/off)开关。另一方面，量子计算机基于量子比特，量子比特根据量子物理学的两个关键原理来操作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子比特可以同时表示1和0。纠缠意味着叠加中的量子比特可以以非经典方式彼此相关；即，一个的状态(是1或0或两者)可以取决于另一个的状态，并且当两个量子比特纠缠时比当它们被单独处理时有更多的信息可以被确定。

使用这两个原理，量子比特作为更复杂的信息处理器来运行，使量子计算机能以允许它们解决使用常规计算机难以处理的难题的方式起作用。IBM已经成功地构建并证明了使用超导量子比特的量子处理器的可操作性(IBM是国际商业机器公司在美国和其他国家的注册商标)。

超导量子比特包括约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是通过用非超导材料分离两个薄膜超导金属层而形成的。当超导层中的金属变成超导时，例如通过将金属的温度降低到指定的低温温度，电子对可以从一个超导层通过非超导层隧穿到另一个超导层。在量子比特中，约瑟夫逊结(其用作色散非线性电感器)与一个或多个电容性器件并联电耦合，以形成非线性微波振荡器。振荡器具有由量子比特电路中的电感和电容的值确定的谐振/转变(transition)频率。对术语“量子比特”的任何引用是对采用约瑟夫逊结的超导量子比特电路的引用，除非在使用时明确地进行区分。

以微波频率范围内的微波信号/光子的形式携带或传输由量子比特处理的信息。捕获、处理和分析微波信号，以便解密在其中编码的量子信息。读出电路是与量子比特耦合的电路，用于捕获、读取和测量量子比特的量子状态。读出电路的输出是可由q处理器使用以执行计算的信息。

超导量子比特具有两个量子态：|0>和|1>。这两个状态可以是原子的两个能量状态，例如，超导人工原子(超导量子比特)的基态(|g>)和第一激发态(|e>)。其他示例包括核或电子自旋的自旋向上和自旋向下、晶体缺陷的两个位置和量子点的两个状态。由于系统具有量子本质，因此两个状态的任何组合都是允许的和有效的。

为了使用量子比特的量子计算是可靠的，量子电路，例如量子比特本身、与量子比特相关联的读出电路、以及量子处理器的其他部分，必须不以任何显著的方式改变量子比特的能量状态(例如通过注入或耗散能量)或者影响量子比特的|0>与|1>状态之间的相对相位。对利用量子信息操作的任何电路的这种操作约束使得在制造用于这些电路中的半导体和超导结构时需要特别考虑。

定向微波放大器是一种器件，当微波光在一个方向上通过该器件时该器件增加微波光的功率(放大)(在正向上有显著的正向增益)，而当微波光试图在相反方向上通过该器件时在没有任何显著的放大或衰减(在相反方向上有非显著的反向增益)的情况下使该微波光波通过。这里对“放大器”的引用是对定向微波放大器的引用。换句话说，放大器作为微波光功率增强器操作，并且器件的响应取决于微波光传播通过器件的方向。在量子计算中使用低噪声放大器，用于放大在指定流动方向上进出量子处理器的弱微波信号，同时不向处理的信号添加噪声或添加很少的噪声。

基于非简并三波混频约瑟夫逊参量器件的多路干涉测量约瑟夫逊定向放大器在下文中被紧凑地且可互换地称为多路干涉测量约瑟夫逊定向放大器(MPIJDA)。MPIJDA器件可以被实现为超导量子电路中的微波放大器。MPIJDA中的定向放大是通过在驱动该器件的两个泵浦音调之间施加相位梯度而生成的。MPIJDA基本上在前向方向上放大其频率位于MPIJDA的带宽内的信号。在相反方向上传播的信号(其频率位于MPIJDA的带宽内)以2dB的量级被少量(可忽略的量)放大，而在相反方向上其频率位于MPIJDA的频带外的信号在没有增益或具有可忽略的增益的情况下被传输。为了描述的清楚，通过MPIJDA在相反方向上放大任何频率的信号被认为是零增益。

通过在放大(光子增益)模式中操作该器件，超导非简并三波混频参量放大器器件可以用作MPIJDA的一部分。非简并三波参量放大器可以是约瑟夫逊参量转换器(JPC)。

超导非简并三波混频参量放大器具有3个端口，即通过其可以输入频率为f_S的微波信号的信号端口(S)、通过其可以输入频率为f_I的闲频微波信号的闲频端口(I)、以及通过其可以输入为频率f_P、功率为P_p和相位为的微波信号的泵浦端口(P)。超导非简并三波混频参量放大器的特征是非简并的，因为它具有在空间和频谱上都不同的两种模式，即S和I。

根据说明性实施例，非简并三波混频参量放大器的两个适当表现形式被用作MPIJDA中的一个组件，其中每个表现形式在3-7dB的小增益限制内操作。JPC是一种这样的非限制性表现形式。

在量子电路中，微波信号可能包括多于一个频率的信号。通常，微波信号跨越一个频带。MPIJDA通常以MPIJDA针对其而被调谐的中心频率周围的相对较窄的信号频率的频带进行操作。说明性实施例认识到需要一种新的放大器设计，其能够放大具有不同频率的所有或一些微波信号，即使信号的频率位于单个MPIJDA的操作频带外。

发明内容

说明性实施例提供了一种超导器件及其制造方法和系统。一个实施例的超导器件形成级联选择性微波定向放大器(级联)，其包括：约瑟夫逊器件的集合，所述集合中的每个约瑟夫逊器件具有微波频率的对应操作带宽，其中不同的操作带宽具有不同的对应中心频率；以及串联耦合，所述串联耦合在来自所述集合的第一约瑟夫逊器件与来自所述集合的第n约瑟夫逊器件之间，其中，所述串联耦合使得所述第一约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的第一信号流方向上放大来自频率复用微波信号(复用信号)的第一频率的信号，并且使得所述第n约瑟夫逊器件在通过所述串联的第二信号流方向上放大第n频率的信号，其中，所述第二信号流方向与所述第一信号流方向相反。

在另一实施例中，所述级联体还包括在所述串联耦合中来自所述集合的第(n-1)约瑟夫逊器件，其中n大于1，其中所述第(n-1)约瑟夫逊器件被包括在所述第一约瑟夫逊器件与所述第n约瑟夫逊器件之间的所述串联耦合中，并且其中所述第(n-1)约瑟夫逊器件在所述第一信号流方向上放大来自所述复用信号的第(n-1)频率的信号。

在另一实施例中，所述级联还包括在所述串联耦合中来自所述集合的第(n-1)约瑟夫逊器件，其中n大于1，其中所述第(n-1)约瑟夫逊器件被包括在所述第一约瑟夫逊器件与所述第n约瑟夫逊器件之间的所述串联耦合中，并且其中所述第(n-1)约瑟夫逊器件在所述第二信号流方向上放大来自所述复用信号的第(n-1)频率的信号。

在另一实施例中，所述串联耦合使得所述第一约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的所述第一信号流方向上在不放大的情况下传播来自所述复用信号的所述第n频率的信号，并且使得所述第n约瑟夫逊器件在通过所述串联的所述第二信号流方向上在不放大的情况下传播所述第一频率的信号。

在另一实施例中，所述串联耦合使得所述第一约瑟夫逊器件在通过所述串联耦合的所述第一信号流方向上在不放大的情况下从所述复用信号传播传入所述第一约瑟夫逊器件的除了所述第一频率的信号之外的所有频率的信号，并且选择性地放大所述第一频率的信号，以及其中，所述串联耦合使得所述第n约瑟夫逊器件在通过所述串联的所述第二信号流方向上在不放大的情况下从所述复用信号传播传入所述第n约瑟夫逊器件的除了所述第n频率的信号之外的所有频率的信号，并且选择性地放大所述第n频率的信号。

在另一实施例中，对应于所述第一约瑟夫逊器件的微波频率的第一操作带宽对于至少一些频率与对应于所述第n约瑟夫逊器件的微波频率的第n操作带宽是非重叠的。

在另一实施例中，所述级联体的总放大带宽包括所述第一操作带宽和所述第n操作带宽。

在另一实施例中，所述集合约瑟夫逊器件中的所述第一约瑟夫逊器件是MPIJDA，包括：第一非简并微波参量放大器器件(第一参量放大器)；第二非简并微波参量放大器器件(第二参量放大器)；第一输入/输出(I/O)端口，其耦合到所述第一参量放大器的输入端口和所述第二参量放大器的输入端口；以及第二I/O端口，其耦合到所述第一参量放大器的输入端口和所述第二参量放大器的输入端口，其中，微波信号(在所述第一I/O端口和所述第二I/O端口之间传达的所述第一频率的信号)在通过所述第一参量放大器和所述第二参量放大器在沿所述第一I/O端口和所述第二I/O端口之间的第一方向传播的同时被传输，并且在通过所述第一参量放大器和所述第二参量放大器在沿所述第二I/O端口和所述第一I/O端口之间的第二方向传播的同时基本上未被放大，并且其中，所述第一频率在所述第一约瑟夫逊器件的第一操作带宽中。

在另一实施例中，所述级联体还包括第一微波泵浦，所述第一微波泵浦以泵浦频率和第一泵浦相位将第一微波驱动注入到所述第一参量放大器中，其中，所述第一微波泵浦被配置为使所述第一参量放大器在低功率增益工作点操作；以及第二微波泵浦，所述第二微波泵浦以所述泵浦频率和第二泵浦相位将第二微波驱动注入到所述第二参量放大器中，其中，所述第二微波泵浦被配置为使所述第二参量放大器在所述低功率增益工作点处操作。

在另一实施例中，所述第一参量放大器和所述第二参量放大器各自是非简并三波混频参量放大器。

在另一实施例中，所述第一参量放大器和所述第二参量放大器各自是约瑟夫逊参量转换器(JPC)，并且其中所述第一参量放大器和所述第二参量放大器标称上相同。

实施例包括用于制造超导器件的制造方法。

实施例包括用于制造超导器件的制造系统。

附图说明

在所附权利要求中阐述了被认为是本发明的特性的新颖特征。然而，通过参考以下结合附图对说明性实施例的详细描述，将最好地理解本发明本身及其优选使用模式、进一步的目的和优点，其中：

图1描绘了根据说明性实施例的可用于级联体中的MPIJDA的示例配置的框图；

图2描绘了根据说明性实施例的可用于级联体中的MPIJDA的另一替换配置；

图3描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例配置和放大操作的框图；

图4描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的接近零增益直通反向操作的示例的框图；

图5描绘了根据说明性实施例的使用具有非重叠带宽的级联多路干涉测量约瑟夫逊定向放大器在对频率复用微波信号中的所有频率的信号进行放大或不进行放大的情况下的传播的示例过程的流程图；

图6描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例配置和选择性放大操作的框图；

图7描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例选择性放大操作的框图；

图8描绘了根据说明性实施例的使用具有非重叠带宽的级联多路干涉测量约瑟夫逊定向放大器的频率复用微波信号中的一些但不是所有频率的信号的接近零增益传播或放大的示例过程的流程图。

具体实施方式

用于描述本发明的说明性实施例一般地处理和解决了上述对放大一些或所有频率复用微波信号的需要。说明性实施例提供了一种放大器器件，包括具有非重叠带宽的级联多路干涉测量约瑟夫逊定向放大器，其中所述放大器基于非简并三波混频参量放大器约瑟夫逊器件。这种级联放大器设备在此被紧凑地称为级联MPIJDA。

这里描述为针对频率中的一个频率发生的操作应当被解释为针对频率中的该频率的信号而发生。除非在使用时明确区分，否则所有对“信号”的引用均是对微波信号的引用。

术语“频率复用信号(signal)”是指包括各种频率的多个信号的复合信号，因此与指各种频率复用在一起的信号术语的“频率复用信号(signals)”没有不同。因此，这两个术语可互换地使用，以表示被复用在一起或一起呈现给器件或在操作中被复用在一起或一起呈现的不同频率的多于一个的信号。

实施例提供了级联MPIJDA的配置。另一个实施方式提供了级联MPIJDA的制造方法，使得该方法可以作为软件应用来实现。实现制造方法实施例的应用可以被配置为与现有的超导体制造系统(诸如光刻系统)结合操作。

为了描述的清楚，并且不暗示对其的任何限制，使用一些示例配置来描述说明性实施例。根据本公开，本领域的普通技术人员将能够构思出对用于实现所述目的的所述配置的许多变更、适应和修改，并且这些都被认为在说明性实施例的范围内。

此外，在附图和说明性实施例中使用了示例参量放大器、混合电路和其他电路组件的简化图。在实际的制造或电路中，在不背离说明性实施例的范围的情况下，可以存在未在此示出或描述的附加结构或组件，或者与所示出的那些结构或组件不同但用于在此描述的目的的结构或组件。

此外，仅作为示例，针对具体的实际或假设的组件来描述说明性实施例。由各种说明性实施例描述的步骤可以被调整以用于使用各种组件来制造电路，所述组件可以是有目的的或被改变用途以提供在级联MPIJDA内的所描述的功能，并且预期这样的调整在说明性实施例的范围内。

仅作为示例，针对某些类型的材料、电特性、步骤、数量、信号频率、电路、组件和应用来描述说明性实施例。这些和其他类似制品的任何特定表现形式不是要限制本发明。可以在说明性实施例的范围内选择这些和其他类似制品的任何适当表现形式。

本公开中的示例仅用于清楚描述，而不是限制说明性实施例。这里列出的任何优点仅是示例，并且不旨在限制说明性实施例。通过特定的说明性实施例可以实现附加的或不同的优点。此外，特定说明性实施例可具有上文所列优点中的一些、全部或不具有上文所列优点。

参考图1，该图描绘了根据说明性实施例的可用于级联体的MPIJDA的示例配置的框图。MPIJDA配置100包括一对102非简并三波混频参量放大器102A和非简并三波混频参量放大器102B。非简并三波混频参量放大器102A和非简并三波混频参量放大器102B中的每一个都在低功率增益工作点操作。

非简并三波混频参量放大器102A配置有物理端口a1(对应于信号端口S)、b1(对应于信号端口I)、p1(对应于信号端口P)和b1'(对应于信号端口I)。根据表达式108，泵浦频率(f_P)是闲频信号频率(f₂)和输入信号频率(f₁)之和。物理端口b1'使用冷端接器(coldtermination)来端接。例如，端口b1'的冷端接器可以是50欧姆终止端。

非简并三波混频参量放大器102B以与放大器102A类似的方式配置有物理端口a2、b2、p2和b2'、泵浦频率(f_P)和冷端接器。放大器102A的端口b1和放大器102B的端口b2使用传输线103耦合在一起。

如本文所述，90度混合器104的端口1和2分别形成MPIJDA100的端口1和2。非简并三波混频参量放大器102A的端口a1与混合器104的端口3耦合。非简并三波混频参量放大器102B的端口a1与混合器104的端口4耦合。

非简并三波参量放大器102A和102B的这种配置100以及使用所述组件的其他可能的类似目的的配置被紧凑地表示为符号110。例如，图2描绘了使用所描述的组件的另一可能的类似目的的配置。符号110的块内的圆箭头表示符号110中从端口1到端口2的信号的放大方向。换句话说，MPIJDA 110不放大从端口2到端口1的信号，但放大从端口1到端口2的信号。

MPIJDA器件的这种串联连接不是直观的。在电气或电子元件的正常串联耦合中，串联的参数(例如，串联的带宽)受串联链中的参数的最弱/最小/最低值限制。整个系列的元件以该最弱/最小/最低值操作。相反，在MPIJDA器件的级联体中，由于在其中使用的MPIJDA器件的特殊属性，频带外信号(频率不在器件的带宽内的信号)不被作用并且被允许简单地通过，并且每个器件仅对信号的位于其自身带宽中的那部分起作用(放大)，因此在带宽中提供了非直观的附加跨度。

参考图2，该图描绘了根据说明性实施例的可用于级联体的MPIJDA的另一替换配置。混合器204是90度混合器，并且以基本上如图1中混合器104被配置有非简并三波混频参量放大器102A和102B的方式，被配置有无混合器JPC 202A和无混合器JPC 202B。配置200使用单个泵浦驱动器与混合器206结合以向无混合器的JPC 202A和无混合器的JPC 202B提供泵浦输入。配置200也由符号110表示。

图3-5描述了级联配置及其操作方式，以放大具有不同频率的所有频率复用微波信号的信号或在不放大的情况下使其通过。图6-8描述了不同的级联配置及其操作方式，以选择性地放大一些但不是所有频率复用的微波信号的信号或在不放大的情况下使其通过。

参考图3，该图描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例配置和放大操作的框图。该级联配置放大具有不同频率的所有频率复用微波信号的信号，所述不同频率在级联MPIJDA器件中的任何MPIJDA器件的带宽内。MPIJDA器件302₁、302₂…302_N中的每个是根据符号110的MPIJDA。MPIJDA器件302₁-302_N表示在配置300中级联的N个MPIJDA器件(N＞1)。

MPIJDA器件的级联体是MPIJDA器件的串联连接，由此第一MPIJDA(302₁)的端口1耦合到外部电路，用于接收微波信号输入(假设级联体300在如由圆形箭头所示的放大方向上操作)；所述第一MPIJDA(302₁)的端口2耦合到下一MPIJDA(302₂)的端口1；下一个MPIJDA(302₂)的端口2耦合到下一个MPIJDA的端口1，依此类推，直到第N-1个MPIJDA的端口2耦合到最后一个MPIJDA(302_N)的端口1，且最后一个MPIJDA(302_N)的端口2耦合到级联体300向其提供放大的微波信号输出的外部电路。

每个MPIJDA 302₁-302_N被配置在级联体300中，使得每个MPIJDA 302₁-302_N在相同方向(它们的相应符号中的圆形箭头的方向，其全部面向相同方向)上放大输入信号，并且在相同的相反方向(与它们的相应符号中的圆形箭头的方向相反)上在不放大的情况下通过输入信号。

此外，级联体300中的每个MPIJDA 302₁-302_N在基本不重叠的频带中操作。例如，MPIJDA 302₁在中心频率为f₁的窄带宽(BW₁)中操作，即，BW₁的一半低于f₁并且包括f₁，BW₁的一半高于f₁。因此，BW₁为[f₁-BW₁/2至f₁+BW₁/2]。类似地，MPIJDA 302₂具有中心频率f₂，并且BW₂为[f₂-BW₂/2至f₂+BW₂/2]。以类似的方式定义集合中的MPIJDA器件，直到MPIJDA 302_N具有中心频率f_N，并且BWN为[f_N-BW_N/2至f_N+BW_N/2]。BW₁…BW_N不重叠，或重叠非显著的量。

级联配置300中的MPIJDA仅在该MPIJDA针对其而被调谐的频率的带宽上操作。换句话说，MPIJDA将放大落入其操作带宽内的那些频率的信号(在从端口1到端口2的方向上流动)，并且在不放大的情况下通过落入其操作带宽内的那些频率的信号(在从端口2到端口1的方向上流动)。MPIJDA将以基本上零增益的方式在两个方向上在不放大的情况下通过频率在该MPIJDA的操作带宽之外的信号。

例如，如果从MPIJDA 302₂的端口1流到MPIJDA 302₂的端口2，则MPIJDA 302₂将仅放大BW₂中的频率的信号(具有实质功率增益)，但是将允许BW₁、BW₃、BW₄…BW_N中的频率的信号在放大方向上以基本上零增益的方式通过。MPIJDA 302₂将允许不仅在BW₂中而且在BW₁、BW₃、BW₄、…BW_N中的频率的信号在非放大方向上以基本上零增益的方式通过。配置300中的每个MPIJDA 302₁…302_N以这种方式相对于其相应的操作带宽和其操作带宽之外的信号频率进行操作。

在配置300中，MPIJDA 302₁在放大方向上放大频率f₁的信号(比较MPIJDA 302₁的端口1和2处的f₁箭头的大小(代表性的，不按比例))，因为MPIJDA 302₁放大BW₁中的频率的信号并且f₁在BW₁中。MPIJDA 302₁允许频率f₂、…f_N的信号在不放大的情况下通过，因为那些信号频率在BW₁的频带外。类似地，MPIJDA 302₂在放大方向上放大频率f₂的信号(比较MPIJDA302₂的端口1和2处的f₂箭头的大小(代表性的，不按比例))，因为MPIJDA302₂放大其自己的操作带宽BW₂中的频率的信号并且f₂在BW₂中。MPIJDA302₂允许频率f₁、f_i…f_N的信号在不放大的情况下通过，因为那些频率在BW₂之外。MPIJDA 302_N在放大方向上放大频率f_N的信号(比较MPIJDA 302_N的端口1和2处的f_N箭头的大小(代表性的，未按比例))，因为MPIJDA302_N放大BW_N中的频率的信号并且f_N在BW_N中。MPIJDA 302_N允许频率f₁…f_N-1的信号在不放大的情况下通过，因为那些频率在BW_N之外。因此，如该图中所描绘的，复用频率f₁、f₂…f_N的信号的输入信号看到了在参与的MPIJDA器件302₁…302_N的放大方向上通过级联体300放大的在频率f₁、f₂…f_N处的信号的功率。

配置300被紧凑地表示为级联MPIJDA 302。因此级联MPIJDA 302可以放大的有效带宽为：

BW＝{[f₁-BW₁/2至f₁+BW₁/2]，[f₂-BW₂/2至f₂+BW₂/2]，…[f_N-BW_N/2至f_N+BW_N/2]}。

级联MPIJDA 302的放大带宽BW大于配置300中的任何单个MPIJDA的放大带宽。因此，级联MPIJDA 302可在比单个MPIJDA的操作带宽更宽的带宽上操作。级联MPIJDA 302的放大操作示出了从级联MPIJDA302的端口1(其为级联体中的第一个MPIJDA的端口1)到级联MPIJDA 302的端口2(其为级联体中最后一个MPIJDA的端口2)放大的复用频率f₁、f₂…f_N的信号。

参考图4，该图描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的接近零增益直通反向操作的示例的框图。这种级联配置在没有显著放大的情况下通过频率复用微波信号中所有频率的信号。级联体300、MPIJDA器件302₁、302₂…302_N和级联MPIJDA 302与图3中的相同。频率f₁在MPIJDA 302₁的BW1中，f₂在MPIJDA 302₂的BW₂中…f_N在MPIJDA 302_N的BW_N中。

在该图的反向操作中，频率f₁、f₂…f_N的信号在级联体300的端口2处输入，即，在级联体300中的最后一个MPIJDA (302_N)的端口2处输入。在级联体300中，MPIJDA 302_N使频带内的频率f_N的信号和频带(BW_N)外的频率f_N-1…f₁的信号在相反方向上在不放大的情况下通过(端口2到端口1)。类似地，第N-1个MPIJDA使频带内的频率f_N-1的信号和频带外的频率f_N、f_N-2…f₁的信号在相反方向上通过，其中频带外的频率f_N、f_N-2…f₁在带宽BW_N-1之外。

以这种方式操作，每个MPIJDA使每个频带内和频带外的频率的信号在相反方向上在不放大的情况下通过。因此，来自复用输入信号f₁…f_N的任何频率的信号在以相反方向到达级联体300的端口1时都没有被放大。因此，如该图中所描绘的，复用频率f₁、f₂…f_N的输入信号在参与MPIJDA器件302₁…302_N的相反方向上基本上不被级联体300改变(零增益或可忽略的增益)。

根据配置300的级联MPIJDA 302具有级联MPIJDA 302在其上可以在不放大的情况下直通的有效带宽，如下所述：

BW＝{[f₁-BW₁/2至f₁+BW₁/2]，[f₂-BW₂/2至f₂+BW₂/2]，…[f_N-BW_N/2至f_N+BW_N/2]}。

同样，级联MPIJDA 302的非放大带宽BW大于配置300中的任何单个MPIJDA的非放大带宽。因此，级联MPIJDA 302可在相反方向上操作以使频率复用信号在没有增益的情况下通过，该频率复用信号跨越比单个MPIJDA的操作带宽更宽的带宽。级联MPIJDA 302的接近零增益反向操作示出了频率f₁、f₂…f_N的复用信号从级联MPIJDA 302的端口2(其为级联体中最后一个MPIJDA的端口2)基本上不改变地传播到级联MPIJDA 302的端口1(其为级联体中第一个MPIJDA的端口1)。

参考图5，该图描绘了根据说明性实施例的使用具有非重叠带宽的级联多路干涉测量约瑟夫逊定向放大器在对频率复用微波信号中的所有频率的信号进行放大或不进行放大的情况下的传播的示例过程的流程图。可以使用用于图3和图4中所描述的操作的级联MPIJDA 302来实现过程500。

将一组约瑟夫逊器件中的每个约瑟夫逊器件配置为MPIJDA(块502)。通过将一个MPIJDA与另一MPIJDA串联连接来在级联体中将MPIJDA器件连接(块504)。串联连接中的MPIJDA器件被配置为使得该串联连接中的所有MPIJDA器件在级联体中的信号流的相同方向上放大它们相应频率的微波信号。通过添加来自所述集合的以这种方式串联的所有MPIJDA器件来构建级联体(块506)。

该级联体操作以放大输入微波信号(如图3所示)或不放大或少量放大(如图4所示)地使输入微波信号通过，其中该信号处于与串联的任何MPIJDA器件的带宽相对应的频率(块508)。

图6-8现在描述了不同的级联配置及其操作方式，以选择性地放大来自频率复用微波信号的、一些但不是所有频率的信号或选择性地在不放大的情况下使其通过。

参考图6，该图描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例配置和选择性放大操作的框图。这种级联配置仅放大频率复用微波信号中的一些频率的信号。MPIJDA器件602₁、602₂…602_N中的每个是根据符号110的MPIJDA。MPIJDA器件602₁-602_N表示在配置600中级联的N个MPIJDA器件(N＞1)。

MPIJDA器件的级联体是MPIJDA器件的串联连接，由此该串联连接中的MPIJDA可以被连接使得通过MPIJDA的放大方向与通过该串联连接的信号流的方向匹配，或者使得通过MPIJDA的非放大(接近零增益)的方向与通过该串联连接的信号流的方向匹配。例如，通过将第一MPIJDA(602₁)的端口1耦合到外部电路以用于接收频率复用的微波信号输入来形成非限制性示例级联体600，在这种情况下，通过MPIJDA 602₁的放大方向与图6中的信号流方向匹配。第一MPIJDA(602₁)的端口2耦合到下一MPIJDA(602₂)的端口2，在此情况下，通过MPIJDA 602₂的放大方向与图6中的信号流方向匹配。MPIJDA 602₂的端口1耦合到下一MPIJDA的端口1，在这种情况下，通过下一MPIJDA的放大方向与图6中的信号流方向匹配；等等，直到第N-1个MPIJDA的端口2耦合到最后一个MPIJDA(602_N)的端口2，且最后一个MPIJDA(602_N)的端口1耦合到级联体600向其提供微波信号输出的外部电路。通过MPIJDA 602_N的反向流，MPIJDA 602_N仅以少量的放大来使其频率在其频带中的信号通过。

不意味着任何限制，并且仅为了描述的清楚，示例性配置600被描绘为仅具有一个反向连接的MPIJDA (602_N)(MPIJDA的放大方向与通过级联体的信号流方向相反)。任意数量的MPIJDA器件可以串联耦合，其中它们各自的放大方向与信号流的方向一致，并且任意数量的MPIJDA器件可以串联耦合，其中它们各自的放大方向与信号流的方向相反，以构造选择性地放大某些频率的信号的级联体。以这种方式构造的级联体放大其频率位于其放大方向与信号流的方向一致的相应MPIJDA器件的带宽内的那些信号(将显著的增益应用于那些信号的功率)，并且以这种方式构造的级联体使其频率与其放大方向与信号流的方向相反的那些MPIJDA器件相对应的那些信号通过(以非显著的放大传播那些信号)。

因此，根据来自频率复用微波信号的哪组信号频率必须被传播，具有与这些频率相对应的频带的一个或多个MPIJDA 602₁-602_N被配置在级联体600中，使得一些MPIJDA602₁-602_N在信号流方向(它们各自符号中的圆形箭头的方向，其全部面向与信号流方向相同的方向)上放大输入信号中的频率的信号。并且根据来自频率复用微波信号的哪些频率必须在没有放大或具有很小放大的情况下通过，具有与那些频率相对应的频带的一个或多个MPIJDA602₁-602_N被配置在级联体600中，使得那些MPIJDA在信号流方向(它们各自的符号中的圆形箭头的方向与信号流方向相反)上提供接近零的增益。

此外，级联体600中的每个MPIJDA 602₁-602_N在基本不重叠的频带中操作。例如，MPIJDA 602₁在相对窄的带宽(BW₁)中操作，其中中心频率为f₁，即，BW₁的一半低于f₁并且包括f₁，BW₁的一半高于f₁。因此，BW₁为[f₁-BW₁/2至f₁+BW₁/2]。类似地，MPIJDA 602₂具有中心频率f₂，并且BW₂为[f₂-BW₂/2至f₂+BW₂/2]。对集合中的MPIJDA器件进行相似定义，直到第N-1个MPIJDA的中心频率为f_N-1；以及BW_N-1为[f_N-1-BW_N-1/2至f_N-1+BW_N-1/2]，并且MPIJDA 602_N具有中心频率f_N，以及BW_N为[f_N-BW_N/2至f_N+BW_N/2]。BW₁…BW_N不重叠，或者仅重叠非显著的量。

级联配置600中的MPIJDA仅放大在该MPIJDA针对其而被调谐的频率的带宽的信号。换句话说，MPIJDA将放大落入其操作带宽内的那些频率的信号(在从该MPIJDA的端口1到端口2的方向上流动)。MPIJDA将以基本上零增益的方式在两个方向上使频率在该MPIJDA的操作带宽之外的信号通过。

例如，MPIJDA 602₂将仅放大在BW₂中的频率的、从MPIJDA 602₂的端口1流到MPIJDA602₂的端口2的信号，但是将允许BW₁、BW₃、BW₄…BW_N-1、BW_N中的频率的信号以基本上零增益的方式在放大方向上通过。MPIJDA602₂将允许频率不仅在BW₂中而且在BW₁、BW₃、BW₄…BW_N-1、BW_N中的信号以基本零增益的方式在非放大方向(端口2到端口1)上通过。配置600中的每个MPIJDA 602₁…602_N以这种方式相对于其相应的操作带宽和其操作带宽之外的信号频率进行操作。

在配置600中，MPIJDA 602₁在放大方向上放大频率f₁的信号，因为MPIJDA 602₁放大BW₁中的频率的信号并且f₁在BW₁中。MPIJDA 602₁允许频率f₂、…f_N的信号以零增益通过，因为那些频率在BW₁之外。假设级联体600中的MPIJDA器件602₂…602_N-1被配置在放大方向上，具有f₁、f_i…f_N的复用信号到达MPIJDA 602_N。然而，MPIJDA 602_N在非放大方向(箭头604的方向与箭头606的方向相反)上被配置在级联体600中，并且因此将接近零的增益应用于频率f_N的信号，因为MPIJDA 602_N对于BW_N中的频率的信号从端口2到端口1具有接近零的增益，并且f_N在BW_N中。MPIJDA602_N允许频率f₁、f_i…f_N的信号以零增益通过，因为那些频率在BW_N之外。因此，如该图所描绘的，复用频率f₁…f_N的信号的输入信号通过级联体600在所选频率f₁…f_N-1中被放大，并且已在不放大的情况下选择性地使来自输入信号的、频率f_N的信号通过。

一般地，如果输入信号(在级联体的端口1处)具有频率f_A、f_B、f_C、f_D、f_E、f_F、f_G、和f_H的信号，则MPIJDA A(放大f_A处的信号)、MPIJDA C(放大f_C处的信号)、MPIJDA E(放大f_E处的信号)、MPIJDA G(放大f_G处的信号)在级联体中被定向为使得它们在信号流方向上放大，MPIJDA B(放大f_B处的信号)、MPIJDA D(放大f_D处的信号)、MPIJDA F(放大f_F处的信号)和MPIJDA H(放大f_H处的信号)在级联体中被定向为使得它们在信号流方向上使信号在不放大或不显著放大的情况下通过，则输出信号(在级联体的端口2处)将包含f_A、f_C、f_E和f_G的放大信号，并且将包含几乎未放大的f_B、f_D、f_F和f_H的信号。

因此级联体600在其上可以选择性地放大某些频率的信号的有效带宽为：

BW＝{[f₁-BW₁/2至f₁+BW₁/2]，[f₂-BW₂/2至f₂+BW₂/2]，…[f_N-BW_N/2至f_N+BW_N/2]}

级联体600的接近零增益的直通或放大带宽BW大于配置600中的任何单个MPIJDA的接近零增益的直通或放大带宽。因此，级联体600可操作用于选择性地放大频率复用信号中的某些频率的信号，该频率复用信号跨越比单个MPIJDA的操作带宽更宽的带宽。

参考图7，该图描绘了根据说明性实施例的级联MPIJDA的示例选择性放大操作的框图。这种级联配置选择性地放大频率复用微波信号中的一些但不是所有频率的信号。级联体600和MPIJDA器件602₁、602₂…602_N与图6中的相同。频率f₁在MPIJDA 602₁的BW₁中，f₂在MPIJDA 602₂的BW₂中，…f_N-1在第(N-1)个MPIJDA的BW_N-1中，并且f_N在MPIJDA 602_N的BW_N中。

在该图的选择性放大操作中，频率f₁、f₂…f_N的信号在级联体600的端口2处，即在级联体600中最后一个MPIJDA(602_N)的端口1处，以所示的信号流方向输入。在级联体600的该操作中，MPIJDA 602_N放大频率f_N的信号并且允许在带宽BW_N之外的频率f_N-1…f₁的信号在放大方向上通过，因为MPIJDA 602_N仅放大BW_N中的频率的信号并且f_N在BW_N中。(比较表示级联体600中的每个MPIJDA处的每个频率的箭头的大小)。以这种方式操作，MPIJDA 602_N有效地从复用输入微波信号选择性地放大仅在频率f_N处的信号。第N-1个MPIJDA使频带内频率f_N-1和带宽BW_N-1之外的频率f_N-2…f₁的信号在相反方向上以基本为零的增益通过。MPIJDA602_N已经放大了频率f_N的信号，并且所放大的频带外的信号f_N也以零增益通过MPIJDA602_N-1。

以这种方式操作，根据级联体600中的MPIJDA的定向，每个MPIJDA放大在该MPIJDA的带宽内的频率的信号或在少量放大的情况下使在该MPIJDA的带宽内的频率的信号通过。因为MPIJDA 602₂在信号流的相反方向上放大，所以MPIJDA 602₂在少量放大的情况下通过频率f2的信号。MPIJDA 602₂在不放大的情况下通过在BW₂之外的f₁处的信号。MPIJDA 602₁在相反方向上在不放大的情况下通过频率f₁处的信号，并且传播在BW₁之外的f₂处的信号。因此，级联体600的端口1处的输出信号，即MPIJDA 602₁的端口1处的输出信号，包括频率f₁…f_N-1的未放大信号和来自复用的输入信号f₁…f_N的、已经选择性放大的频率f_N处的信号。因此，如该图所描绘的，复用频率f₁…f_N-1的输入信号由级联体600选择性地放大(仅放大一些但不是所有频率的信号)。

级联体600具有级联MPIJDA 602在其上可以选择性地放大反向信号的有效带宽，如下所示：

BW＝{[f₁-BW₁/2至f₁+BW₁/2]，[f₂-BW₂/2至f₂+BW₂/2]，…[f_N-BW_N/2至f_N+BW_N/2]}

同样，级联体600在相反方向上的选择性放大带宽BW大于配置600中的任何单个MPIJDA的放大带宽。因此，级联体600可操作用于选择性地放大来自频率复用信号的一些频率的信号，其中该频率复用信号跨越比单个MPIJDA的操作带宽更宽的带宽。

同样，不意味着任何限制，并且仅为了描述的清楚，示例配置600被描绘为仅具有在传播方向上的一个连接的MPIJDA(602_N)(传播方向与通过级联体的信号流方向一致)。任意数量的MPIJDA器件可以串联耦合，其中它们各自的放大方向与信号流的方向一致，并且任意数量的MPIJDA器件可以串联耦合，其中它们各自的放大方向与信号流的方向相反，以构造选择性地放大某些频率的信号的级联体。以这种方式构造的级联体以接近零的增益直通与其传播方向与信号流方向相反的MPIJDA器件相对应的那些频率的信号，并且放大与其放大方向与信号流方向一致的那些MPIJDA器件相对应的那些频率的信号。

一般地，如果输入信号(在级联体的端口2处)具有频率f_A、f_B、f_C、f_D、f_E、f_F、f_G、和f_H的信号，则MPIJDA A(放大f_A处的信号)、MPIJDA C(放大f_C处的信号)、MPIJDA E(放大f_E处的信号)、MPIJDA G(放大f_G处的信号)在级联体中被定向为使得它们在信号流方向上放大，MPIJDA B(放大f_B处的信号)、MPIJDA D(放大f_D处的信号)、MPIJDA F(放大f_F处的信号)和MPIJDA H(放大f_H处的信号)在级联体中被定向为使得它们在信号流方向上以接近零增益直通，则输出信号(在级联体的端口1处)将包含f_A、f_C、f_E和f_G的放大信号，同时，直通几乎未放大的f_B、f_D、f_F和f_H的信号。

参考图8，该图描绘了根据说明性实施例的使用具有非重叠带宽的级联多路干涉测量约瑟夫逊定向放大器的频率复用微波信号中的一些但不是所有频率的信号的接近零增益传播或放大的示例过程的流程图。可以使用用于图6和7中描述的操作的级联体600来实现过程800。

将一组约瑟夫逊器件中的每个约瑟夫逊器件配置为MPIJDA(块802)。通过将一个MPIJDA与另一MPIJDA串联连接而在级联体中将MPIJDA器件连接(块804)。串联连接中的MPIJDA器件被配置成使得该串联连接中的至少一些MPIJDA器件(反向MPIJDA器件)在级联体中的信号流的方向上以接近零增益直通它们相应频率的微波信号。通过添加来自所述集合的以这种方式串联的所有MPIJDA器件来构建级联体(块806)。

该级联体操作以选择性地放大(如图6所示)或以接近零的增益选择性地传播(如图7所示)频率复用输入微波信号，其中该信号包含与串联连接中的任何反向MPIJDA器件相对应的频率(块808)。

MPIJDA器件的电路元件和与其的连接可以由超导材料制成。各个谐振器和传输/馈送/泵浦线可以由超导材料制成。混合耦合器可以由超导材料制成。超导材料的示例(在低温下，诸如大约10-100毫开尔文(mK)或大约4K)包括铌、铝、钽等。例如，约瑟夫逊结由超导材料制成，并且它们的隧道结可以由薄隧道势垒制成，诸如氧化铝。电容器可以由被低损耗介电材料隔开的超导材料制成。连接各种元件的传输线(即，导线)可以由超导材料制成。

在此参考相关附图描述本发明的各种实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以设计出替代实施例。尽管在以下描述和附图中阐述了元件之间的各种连接和位置关系(例如上方、下方、相邻等)，但是本领域技术人员将认识到，当即使改变了定向也保持了所描述的功能时，本文描述的许多位置关系是与定向无关的。除非另有说明，这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明并不旨在在这方面进行限制。因此，实体的偶联可以指直接或间接偶联，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接位置关系。作为间接位置关系的一个示例，本说明书中提到在层“B”上形成层“A”包括这样的情况，其中一个或多个中间层(例如层“C”)在层“A”和层“B”之间，只要层“A”和层“B”的相关特性和功能基本上不被(多个)中间层改变。

以下定义和缩写用于解释权利要求和说明书。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括一系列要素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置不一定仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的或固有的诸如组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置的其他要素。

另外，术语“说明性”在本文中用于表示“充当示例、实例或说明”。在此描述为“说明性”的任何实施例或设计不一定被解释为比其他实施例或设计更优选或有利。术语“至少一个”和“一个或多个”被理解为包括大于或等于一的任何整数，即一、二、三、四等。术语“多个”应理解为包括大于或等于二的任何整数，即二、三、四、五等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。

说明书中对"一个实施例"、"示例实施例"等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以包括或者可以不包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合其他实施例来影响这种特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内的，而不管是否明确描述。

术语“约”、“基本上”、“大约”及其变体旨在包括与基于提交本申请时可用的设备的特定量的测量相关联的误差度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或5％或2％的范围。

已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所描述的实施例。