阅读说明：本技术 基于非简并三波混频约瑟夫森装置的具有变频的四端口环行器 (The four-port circulator with frequency conversion based on nondegenerate three wave mixing Josephson's device ) 是由 B·阿卜多 于 2017-12-01 设计创作，主要内容包括：技术涉及超导装置。第一混频装置具有第一混频端口和第二混频端口。第二混频装置具有另一个第一混频端口和另一个第二混频端口。第一和第二混频装置是超导非简并三波混频装置。第一混频端口和另一个第一混频端口被配置为耦接到第一耦合器。第二混频端口和另一个第二混频端口被配置为耦接到第二耦合器。(Technology is related to superconducting device.First mixer device has the first mixing port and the second mixing port.Second mixer device has another first mixing port and another second mixing port.First and second mixer devices are superconduction nondegenerate three wave mixing devices.First mixing port and another first mixing port are configured to couple to the first coupler.Second mixing port and another second mixing port are configured to couple to the second coupler.)

基于非简并三波混频约瑟夫森装置的具有变频的四端口环 行器

背景技术

本发明一般涉及超导装置。更具体地，本发明涉及基于非简并三波混频约瑟夫森装置的具有变频的四端口环行器。

环行器是被动的非互易三端口或四端口装置，其中进入任何端口的微波或射频信号(仅)依次发送到下一个端口。在此上下文中的端口是外部波导或传输线(诸如，微带线或同轴电缆)连接到设备的平面。对于三端口环行器，施加到端口1的信号仅来自端口2。施加到端口2的信号仅来自端口3。施加到端口3的信号仅来自端口1。在相位因子内，针对理想的频率保持三端口环行器的散射矩阵是

环行器用于超导电路。

发明内容

本发明的实施例涉及一种超导装置。超导装置的非限制性示例包括：具有第一混频端口和第二混频端口的第一混频装置，以及具有另一个第一混频端口和另一个第二混频端口的第二混频装置。第一和第二混频装置是超导非简并三波混频装置，其中，第一混频端口和另一个第一混频端口被配置为耦接到第一耦合器，并且其中，第二混频端口和另一个第二混频端口被配置为耦接到第二耦合器。

本发明的实施例涉及一种形成超导装置的方法。形成超导装置的非限制性示例包括：提供具有第一混频端口和第二混频端口的第一混频装置，以及提供具有另一个第一混频端口和另一个第二混频端口的第二混频装置。第一和第二混频装置是超导非简并三波混频装置。该方法包括将第一混频端口和另一个第一混频端口耦接到第一耦合器，以及将第二混频端口和另一个第二混频端口耦接到第二耦合器。

本发明的实施例涉及超导四端口环行器。超导四端口环行器的非限制性示例包括：具有第一信号端口和第二空转(idler)端口的第一约瑟夫森参量装置，以及具有另一个第一信号端口和另一个第二空转端口的第二约瑟夫森参量装置。第一和第二混频装置是超导非简并三波混频装置，其中第一信号端口和另一个第一信号端口被配置为耦接到第一耦合器，并且其中第二空转端口和另一个第二空转端口被配置为耦接到第二耦合器。

本发明的实施例涉及一种形成超导四端口环行器的方法。形成超导四端口环行器的方法的非限制性示例包括：提供具有第一信号端口和第二空转端口的第一约瑟夫森参量装置，并提供具有另一个第一信号端口和另一个第二空转端口的第二约瑟夫森参量装置。第一和第二混频装置是超导非简并三波混频装置。而且，该方法包括将第一信号端口和另一个第一信号端口耦接到第一耦合器，以及将第二空转端口和另一个第二空转端口耦接到第二耦合器。

本发明的实施例涉及一种操作超导四端口环行器的方法。操作超导四端口环行器的方法的非限制性示例包括：在第一耦合器的端口处接收信号，其中第一约瑟夫森参量装置和第二约瑟夫森参量装置并联耦接到第一耦合器和第二耦合器。该方法包括在第二耦合器的预定端口处输出该信号。

另外的技术特征和优点通过本发明的技术来实现。本发明的实施例和方面在此被详细描述，并且被认为是所要求保护的主题的一部分。为了更好地理解，请参考详细说明和附图。

附图说明

本文所描述的专有权利的细节被特别地指出并在本说明书的结尾的权利要求中被清楚地要求保护。通过以下结合附图的详细描述，本发明的实施例的前述和其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1描绘了根据本发明实施例的超导非简并三波混频装置的示意图；

图2描绘了根据本发明实施例的超导非简并三波混频装置的信号流图；

图3描绘了根据本发明实施例的四端口环行器的示意图；

图4描绘了根据本发明实施例的四端口环行器的符号；

图5描绘了根据本发明实施例的四端口环行器的示意图；

图6描绘了根据本发明实施例的四端口环行器的操作；

图7描绘了根据本发明实施例的四端口环行器的操作；

图8描绘了根据本发明实施例的四端口环行器的操作；

图9描绘了根据本发明实施例的四端口环行器的操作；

图10描绘了根据本发明实施例的四端口环行器的操作；

图11描绘了根据本发明实施例的四端口环行器的操作；

图12描绘了根据本发明实施例的四端口环行器的操作；

图13描绘了根据本发明实施例的形成超导装置的方法的流程图；

图14描绘了根据本发明实施例的形成超导四端口环行器的方法的流程图；以及

图15描绘了根据本发明实施例的操作超导四端口环行器的方法的流程图。

本文描绘的图是说明性的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以对图或其中描述的操作进行许多变化。例如，可以以不同的顺序执行动作，或者可以添加，删除或修改动作。而且，术语“耦接”及其变形描述了在两个元件之间具有通信路径，并不意味着元件之间的直接连接而在它们之间没有中间元件/连接。所有这些变化都被认为是规范的一部分。

在附图和公开的实施例的下列详细描述中，在附图中示出的各个元件提供有两个或三个数字的附图标记。除了少数例外，每个附图标记的最左边的数字对应于其元素首先被示出的图。

具体实施方式

为了简洁起见，与半导体器件和集成电路(IC)制造相关的常规技术可以或可以不被在此详细描述。此外，本文描述的各种任务和处理步骤可以合并到更全面的程序或过程中，该程序或过程具有本文未详细描述的附加步骤或功能。特别地，半导体器件和基于半导体的IC的制造中的各种步骤是众所周知的，因此，为了简洁起见，许多常规步骤将仅在本文中简要提及或将完全省略而不提供众所周知的过程细节。

现在转向与本发明的方面更具体相关的技术的概述，在固态量子信息处理中的进步已激发在微波域中针对具有量子受限(quantum-limited)性能的放大器和变频的搜索。取决于施加到电磁场的单个时空模式的正交(quadrature)的增益，线性放大器可以被分为两类，即相敏和相位保持(preserving)，每个类具有根本不同的噪声特性。相敏放大器将输入噪声和信号压缩进微波场的一个正交，代价是在另一个正交中使噪声和信号膨胀，而不会将其自身的噪声添加到所处理的信号中。然而，相敏放大器仅在量子信息被编码进微波场的一个正交的情况下有用。另一方面，相位保持放大器放大输入噪声和信号的两个正交，代价是在信号频率处至少增加等于半输入光子的噪声。这种放大器在许多量子应用中都很有用，包括量子比特读出。非简并本征相位保持超导参量放大器的一种实现基于约瑟夫森环形调制器。约瑟夫森环形调制器可以包括以惠斯通电桥配置的四个约瑟夫森结。器件对称性增强了放大过程的纯度，即消除或最小化某些不希望的非线性过程，并且还简化了其操作和其分析二者。

商业低温环行器被用于量子应用。然而，商业低温环行器通常尺寸大，重量重并且难以热化。另外，商业低温环行器使用铁氧体，其难以制造/集成在芯片上并且包含可能对超导电路具有负面影响的磁体。在标准的1输入1输出线路设置(其连接1个量子比特谐振器和1个量子受限放大器，例如约瑟夫森参量转换器(JPC))中，现有技术使用了大约两个环行器和三个隔离器。

现在转到对本发明的各方面的概述，本发明的一个或多个实施例通过提供并联耦接在一起的超导非简并三波混频装置来解决现有技术的上述缺点。更具体地，本发明的上述方面通过提供至少部分基于非简并三波混频约瑟夫森装置的具有变频的超导四端口环行器来解决现有技术的缺点。根据本发明的实施例，四端口环行器的技术效果和益处是它可以集成在芯片上或印刷电路板(PCB)中，不使用铁氧体，并且不需要(具有大磁场的)磁体。此外，四端口环行器可以很好地热化，可以做得小/紧凑，并且重量更轻。此外，通过消除馈送两个非简并三波混频装置的两个泵浦(pump)音调之间的相位差，可以原位反转隔离方向。此外，实施例允许以高密度在同一芯片上添加多个四端口环行器(即，按比例放大)。

现在转到本发明的各方面的更详细的描述，图1示出了根据本发明的实施例的超导非简并三波混频装置130的示意图。超导非简并三波混频装置130可以是约瑟夫森参量转换器(作为一个示例)。约瑟夫森参量转换器130包括约瑟夫森环形调制器(JRM)105，其是基于约瑟夫森隧道结102的非线性色散(dispersive)元件，其可以在量子极限处执行微波信号的三波混频。三个微波信号通常被称为信号微波信号，空转微波信号和泵浦微波信号。JRM 105由以惠斯通电桥配置排列的四个标称相同的约瑟夫森结102组成。JRM 105还可以包括在约瑟夫森结102的交叉点处连接的四个标称相同的约瑟夫森结101。在一些实施方式中，约瑟夫森结101可以与约瑟夫森结102相同。在其它实施方式中，约瑟夫森结101可以与约瑟夫森结102不同。在一些实施方式中，JRM 105可以不包括约瑟夫森结101。

为了构建一个非简并参量三波混频装置(约瑟夫森参量转换器130)，其能够在量子极限处放大和/或混合微波信号，JRM 105在两个微波谐振器的多个本征模的射频(RF)电流反节点处被并入该两个微波谐振器。JRM 105由外部通量驱动，即Φ_ext。可以使用片上通量线，使用外部磁线圈和/或使用集成在芯片上或封装中的非常小的磁性材料来施加外部通量。

微波谐振器中的一个微波谐振器是信号(S)谐振器115A，另一个是空转(I)谐振器115B。该装置是非简并的，因为信号微波信号和空转微波信号在不同的端口输入。耦合电容器110A将谐振器115A连接到混合耦合器，而耦合电容器110B将谐振器115B连接到混合耦合器。混合耦合器是片外/片上宽带180度混合器。约瑟夫森参量转换器130包括谐振器115A和谐振器115B以及JRM 105。信号(S)谐振器115A具有谐振频率f₁(也称为f_S)，空转(I)谐振器115B具有谐振频率f₂也称为f_I)。实施例包括约瑟夫森参量转换器130无混合的情况，并且这意味着约瑟夫森参量转换器130不需要用于其操作的混合，即，向设备130发送信号和从设备130输出信号。

约瑟夫森参量转换器130的性能(即功率增益G，动态带宽γ，和最大输入功率P_最大)强烈依赖于JRM 105的约瑟夫森结102的临界电流I₀，电磁环境的具体实现(即，微波谐振器115A和微波谐振器115B)，JRM 105与谐振器115A和115B之间的耦接，以及谐振器与馈线之间的耦接。馈线是将谐振器115A和115B连接到两个混合耦合器的传输线。将谐振器115A和115B连接到两个混合耦合器的传输线可以是微波同轴线或波导。尽管未示出，但是其它装置可以连接到混合耦合器的相对端。其它装置的示例可包括衰减器，环行器，隔离器，低通微波滤波器，带通微波滤波器，红外滤波器，和量子比特-腔体(cavity)系统。图2描绘了根据实施例的以变频模式操作的超导非简并三波混频装置130的信号流图。在变频模式下，没有光子增益。也就是说，超导非简并三波混频装置130不作为放大器操作。图2描绘了非简并三波混频装置130的信号流图。

该约瑟夫森参量转换器130在无噪声变频操作时满足下列散射矩阵：

正如我们将在本文中认识到的，泵浦的相位将根据实施例来利用。由于散射矩阵是单一的，因此以下关系成立

|r|²+|t|²＝1，

其中r是反射系数，t是传输参数，t′＝-t^*(其中，t^*是t的共轭)。单一(unitary)意味着装置130保持相位的能量和相干性。超导非简并三波混频装置130的完全转换工作点是

|r|²＝0,|t|²＝1。

在完全转换的工作点处，没有反射并且存在采用变频的充分传输。

在图2中，超导非简并三波混频装置130具有3个端口，即信号端口(S)，空转端口(I)和泵浦端口(P)。超导非简并三波混频装置130具有从空转端口到信号端口的传输t以及从信号端口到空转端口的传输t′。从空转端口到信号端口，空转微波信号以频率f₂进入空转端口，被下变频，并以频率f₁离开信号端口。从信号端口到空转端口，信号微波信号以频率f₁进入信号端口，被上变频，并以频率f₂离开空转端口。泵浦微波信号为升频转换和降频转换提供能量。泵浦频率为f_P，其中

f_P＝f_I-f_S＝f₂-f₁.

图3描绘了根据实施例的片上超导四端口环行器300的示意图。图4描绘了根据实施例的四端口环行器符号。四端口环行器300包括并联耦接在一起的两个超导非简并三波混频装置130。这两个超导非简并三波混频装置被指定为超导非简并三波混频装置130_1和130_2，其与本文讨论的超导非简并三波混频装置130相同地操作。出于解释的目的，顶部路径穿过超导非简并三波混频装置130_1，并且底部路径穿过超导非简并三波混频装置130_2。如本领域技术人员所理解的，四端口环行器具有4个端口：端口1，端口2，端口3和端口4。端口1被指定为端口001，端口2被指定为端口002，端口3被指定为端口003，端口4被指定为004。在四端口环行器中，施加到端口1的微波信号仅来自端口2。施加到端口2的微波信号仅来自端口3。施加到端口3的微波信号仅来自端口4，并且施加到端口4的微波信号仅来自端口1。

超导非简并三波混频装置130_1和130_2(标称)相同。超导非简并三波混频装置130_1和130_2具有各自的端口320_1和320_2(其可以是连接到具有谐振频率f₁的信号谐振器的信号端口)。超导非简并三波混频装置130_1和130_2具有各自的端口322_1和322_2(其可以是连接到具有谐振频率f₂的空转谐振器的空转端口)。超导非简并三波混频装置130_1和130_2具有端口324_1和324_2(其可以是设计用于接收泵浦频率f_P的泵浦端口)。处于泵浦频率f_P的微波泵浦信号可通过混合电路的Σ端口之一或直接(无混合)通过单独的物理端口施加到信号谐振器或空转谐振器(如最近在几个无混合JPC电路中(在现有技术中)演示)。微波泵浦信号以泵浦频率f_P和相位施加在泵浦端口324_1和324_2处。对于超导非简并三波混频装置130_1，微波泵浦信号以泵浦频率f_P和相位施加到端口324_1。对于超导非简并三波混频装置130_2，微波泵浦信号以泵浦频率f_P和相位施加到端口324_2。对于微波泵浦信号，泵浦频率f_P为f_P＝|f₂-f₁|，对两个三波混频装置130_1和130_2的输入是相同的，其中f₂＞f₁。对于施加在端口324_1处的微波泵浦信号，相位对于施加在端口324_2处的微波泵浦信号，相位可以认识到，输入到超导非简并三波混频装置130_1的泵浦端口324_1的微波泵浦信号与输入到超导非简并三波混频装置130_2的泵浦端口324_2的微波泵浦信号异相90°。根据实施例，该90°相位差与混合耦合器305A和305B结合使用,以形成和操作作为环行器的片上超导四端口环行器300。另外，超导非简并三波混频装置130_1和130_2都在它们的全转换工作点处操作，其中反射r是0,传输|t|是1并且以变频操作(即，不是具有光子增益的放大器)。

在图3中，90°混合耦合器305A被连接到端口320_1和320_2。该90°混合耦合器305A具有两个输入端口，其被指定为端口001(即,端口1)和端口003(即,端口3)。180°混合耦合器305B连接到端口322_1和322_2。180°混合耦合器305B具有两个输入端口，其被指定为端口002(即,端口2)和端口004(即,端口4)。

90°混合器是四端口微波装置，其是互反的(reciprocal)，匹配的，并且理想地是无损的。90°混合耦合器是一种专用耦合器，其具有彼此相位相差90度的两个输出端口，在两个输出端口之间平均分配功率。90°混合器将输入信号分成两个相等幅度的输出，其中一个输出与输入信号同相，而另一个输出与输入信号异相90°。

180°混合器是一个四端口微波装置，其是互反的，匹配的，并且理想地是无损的。180°混合器将输入信号分成两个相等幅度的输出。当从其和端口(Σ)(即,0°端口)馈入时，180°混合器提供两个等幅同相输出信号(也与输入信号同相)，并且当从其差值端口(Δ)(即,180°端口)馈入时，它提供两个等幅的180°异相输出信号(一个输出与输入信号同相，而另一个输出与输入信号180°异相)。应该注意的是，90°混合器和180°混合器不需要使用传输线电路来实现。90°混合器和180°混合器也可以使用集总元件(集总电容器和电感器)实现。集总电容器的示例包括平板电容器，间隙电容器，叉指式电容器等。集总电感器的示例包括：螺旋且窄的曲折超导线。

装置130_1和130_2的操作模式是单一变频模式(没有光子增益)，其中所施加的泵浦频率f_P满足关系f_P＝|f_I-f_S|。

现在提供四端口环行器装置300的操作的更多细节，装置300实现了片上非简并四端口环行器。装置300以特定(预定义)方向发送进入装置端口的微波信号，并且信号经历单一变频(上变频/下变频)。例如，以频率f₁进入端口1(例如，端口001)的微波信号被上变频为频率f₂并且无损耗地或以低损耗发送到端口2(例如，端口002)。以频率f₂进入端口2(例如，端口002)的微波信号被下变频到频率f₁并且无损耗地或以低损耗发送到端口3(例如，端口003)。以频率f₁进入端口3(例如，端口003)的微波信号被上变频到频率f₂并且无损耗地或以低损耗发送到端口4(例如，端口004)。以频率f₂进入端口4(例如，端口004)的微波信号被下变频到频率f₁并且无损耗或低损耗地发送到端口1(例如，端口001)。装置300在相反的循环方向上提供隔离，即，端口1与端口2上输入的信号隔离，端口2与端口3上输入的信号隔离，端口3与端口4上输入的信号隔离，端口4与端口1上输入的信号隔离。例如，在图4中，(预定义的)循环方向由圆形箭头表示，而相反的循环方向将在圆形箭头的相反方向上。

装置300包括非简并三波混合约瑟夫森装置130_1和130_2(其可以是约瑟夫森参量转换器)的两级(stage)。这两级使用两个混合器(即，90°混合器305A和180°混合器)并联连接。90°混合器305A的两个输入端定义了环行器300的端口1和3，并且90°混合器305A的两个输出端连接到(JPC)级的信号端口320_1和320_2。类似地，180°混合器的输入定义环行器300的端口2和4，并且180°混合器的两个输出连接到(JPC)级的空转端口322_1和322_2。

通过以无噪声变频模式(无光子增益)操作非简并三波混频装置130_1和130_2并将其工作点设置为完全转换，其中，端口320和322的反射被最小化并且向其它端口(端口320和322)的传输(包括上变频/下变频)被最大化。馈入两个非简并三波混频约瑟夫森装置130_1和130_2的泵浦驱动器(通过泵浦端口324_1和324_2)之间的相位差(相位对比相位)引入了对横跨非简并三波混频约瑟夫森装置130_1和130_2传播的信号的非互反相移。注意，为了解释的目的，传播横跨被示为从左到右或从右到左，但是本领域技术人员可以理解图的方向可以被改变。在操作期间，非简并三波混频约瑟夫森装置130_1被配置为将相移添加到在端口320_1(例如，信号端口)处接收并且在端口322_1(空转端口)处输出的任何信号。在相反方向上，非简并三波混频约瑟夫森装置130_1被配置为将相移添加到在端口322_1(空转端口)处接收并且在端口320_1(例如，信号端口)处输出的任何信号。或的加入与信号被输入到非简并三波混频约瑟夫森装置130_1的方向(仅为了说明，在图中为左或右)有关。因为在端口324_1处接收的泵浦信号(泵浦驱动器)具有泵浦相位所以发生将添加到从端口320_1输入并输出到端口322_1的信号，或者发生将添加到从端口322_1输入并输出到端口320_1的信号。

根据非简并三波混频约瑟夫森装置130_1的具有相位的泵浦驱动，在非简并三波混频约瑟夫森装置130_1中发生类似的相变。在操作期间，非简并三波混频约瑟夫森装置130_2被配置为将相移添加到在端口320_2(例如，信号端口)处接收并且在端口322_2(空转端口)处输出的任何信号。在相反方向上，非简并三波混频约瑟夫森装置130_2被配置为将相移添加到在端口322_2(空转端口)处接收并且在端口320_2(例如，信号端口)处输出的任何信号。或的添加与信号被输入到非简并三波混频约瑟夫森装置130_2的方向(仅为了解释，在图中为左或右)有关。因为在端口324_2处接收的泵浦信号(泵浦驱动)具有泵浦相位所以发生将添加从端口320_2输入并输出到端口322_2的信号，或者发生将添加从端口322_2输入并输出到端口320_2的信号。

馈入两级的两个泵浦(即，频率为f_p的两个微波泵浦信号)之间的相位差为90度。微波泵浦是一种产生微波信号(也称微波音调)的装置。微波泵浦连接到泵浦端口324_1，并且单独的微波泵浦连接到泵浦端口324_2。通过反转两个微波信号之间的这种相位差，在一种实施方式中，循环的循环方向可以原位反转。

在图3中，每个微波泵浦驱动器通过传输线馈入到它的相应的泵浦端口324_1和324_2。代替如图3所示的具有两个泵浦驱动器，根据实施例，如图5所示，可以通过90°混合耦合器505将一个单个泵浦驱动器馈入整个装置。90°混合耦合器505在注入两个三波混频级的泵浦驱动器之间施加所需的相位差(即，90°相位差)。这假设两个非简并三波混频装置130_1和130_2是标称相同的。图5示出了90°混合耦合器505的一个端口接收微波泵浦信号，而混合器的另一个输入端口连接到50Ω终端。

装置300的装置操作基于两个路径之间的波干涉，其中，一个路径通过第一级(例如，顶部路径)，而另一个路径通过第二级(例如，底部路径)。通过充当分束器的混合器305_A和305_B启用波干涉。如果通过这两个路径的一个端口的输入信号的两个***波在特定端口处相长地(同相地，即，峰值匹配)相加，则在上变频或下变频之后，信号采用几乎统一(unity)传输退出该端口。相反，如果输出波在某个端口处相消地干涉(具有180°的相位差)，则该端口与输入信号的输入端口隔离。

出于解释目的而非限制，图6-12描绘了根据实施例的使用波干涉操作四端口环行器300的示例。

图6描绘了根据实施例当频率为f₁的微波信号输入到90°混合器305A的端口001(例如，端口1)时操作四端口环行器300以在端口002(例如，端口2)处以频率f₂输出。频率为f₁的微波信号在90°混合耦合器305A的端口001处被接收。混合耦合器305A被配置为分离在端口001处接收的微波信号的功率。混合耦合器305A被配置为向超导非简并三波混频装置130_1的端口320_1发送微波信号的第一部分(即，1/2)(没有相移)。同样地，90°混合耦合器305A被配置为向微波信号的第二部分(即，1/2)添加90°相移，并向超导非简并三波混频装置130_2的端口320_2发送微波信号的第二部分。

在端口320_1处接收的微波信号的第一部分(没有相位变化)和在端口320_2处接收的微波信号的第二部分(具有90°相位增加)通过它们各自的混频装置130_1和130_2都从频率f₁上变频为频率f₂。另外，非简并三波混频约瑟夫森装置130_1被配置为向已在端口320_1处接收的微波信号的第一部分添加相移。类似地，非简并三波混频约瑟夫森装置130_2被配置为向已在端口320_2处接收的微波信号的第二部分的90°相位添加相移，从而产生

频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第一部分从混频装置130_1发送到混合耦合器305B，并且频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第二部分从混频装置130_2发送到180°混合耦合器305B。180°混合耦合器305B被配置为向端口002发送频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第一部分，这意味着180°混合耦合器305B不添加相位。在接收到频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第二部分之后，180°混合耦合器305B被配置为向相位 添加180°相位，从而产生相位并且向端口002发送的频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第二部分。在具有从混频装置130_1和130_2发送的微波信号的端口002处发生相长干涉。在180°混合耦合器305B的输出端口002处，来自顶部路径的微波信号的第一部分的相位具有相位来自底部路径的微波信号的第二部分的相位具有相位因此，这两个微波信号(已经从混频装置130_1和130_2接收)通过混合耦合器305B相长地相加以在端口002处输出，使得频率为f₁的微波信号被输入到90°混合器305A的端口001并且以频率f₂在180°混合器305B的端口002(例如，端口2)处输出。然而，关于180°混合器305B的端口004，微波信号的第一部分和第二部分(已经从混频装置130_1和130_2接收)经由混合耦合器305B相消地相加，并且没有从端口004输出微波信号。

图7描绘了根据实施例当频率为f₂的微波信号输入到180°混合器305B的端口002(例如，端口2)时操作四端口环行器300以在端口001(例如，端口1)处以频率f₁输出。然而，在该示例中发生相消干涉。频率为f₂的微波信号在180°混合耦合器305B的端口002处被接收。混合耦合器305B被配置为分离在端口002处接收的微波信号的功率。混合耦合器305B被配置为向超导非简并三波混频装置130_1的端口322_1发送微波信号的第一部分(即，1/2)(没有相移)。同样地，180°混合耦合器305A被配置为向微波信号的第二部分(即，1/2)添加180°相移，并向超导非简并三波混频装置130_2的端口322_2发送微波信号的第二部分。

在端口322_1处接收的微波信号的第一部分(没有相位变化)和在端口322_2处接收的微波信号的具有180°相位的第二部分通过它们各自的混频装置130_1和130_2都从频率f₂下变频为频率f₁。另外，非简并三波混频约瑟夫森装置130_1被配置为向已在端口322_1处接收的微波信号的第一部分添加相移。类似地，非简并三波混频约瑟夫森装置130_2被配置为向已在端口322_2处接收的微波信号的第二部分的180°相位添加相移，从而产生

频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第一部分从混频装置130_1发送到90°混合耦合器305A，并且频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第二部分从混频装置130_2发送到90°混合耦合器305A。90°混合耦合器305A被配置为向端口001发送频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第一部分，这意味着90°混合耦合器305A不添加相位。在接收到频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第二部分后，90°混合耦合器305A被配置为向相位 添加90°相位，产生相位并向端口001发送频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第二部分。在具有从混频装置130_1和130_2发送的微波信号的端口001处发生相消干涉。在90°混合耦合器305A的输出端口001处，来自顶部路径的微波信号的第一部分的相位具有相位来自底部路径的微波信号的第二部分的相位具有相位因此，这两个微波信号(已经从混频装置130_1和130_2接收)经由混合耦合器305A相消地相加，并且在端口001处没有微波信号输出。然而，相对于90°混合器305A的端口003，微波信号的第一部分和第二部分(已经从混频装置130_1和130_2接收)通过混合耦合器305A相长地相加，并且微波信号从端口003输出,如图8所示。

图8描绘了根据实施例当频率为f₂的微波信号输入到180°混合器305B的端口002(例如，端口2)时操作四端口环行器300以在端口003(例如，端口3)处以频率f₁输出。频率为f₂的微波信号在180°混合耦合器305B的端口002处被接收。混合耦合器305B被配置为分离在端口002处接收的微波信号的功率。混合耦合器305B被配置为向超导非简并三波混频装置130_1的端口322_1发送微波信号的第一部分(即，1/2)(没有相移)。同样地，180°混合耦合器305A被配置为向微波信号的第二部分(即，1/2)添加180°相移，并向超导非简并三波混频装置130_2的端口322_2发送微波信号的第二部分。

在端口322_1处接收的微波信号的第一部分(没有相位变化)和在端口322_2处接收的微波信号的具有180°相位的第二部分通过它们各自的混频装置130_1和130_2都从频率f₂下变频为频率f₁。另外，非简并三波混频约瑟夫森装置130_1被配置为向已在端口322_1处接收的微波信号的第一部分添加相移。类似地，非简并三波混频约瑟夫森装置130_2被配置为向在端口322_2处接收的微波信号的第二部分的180°相位添加相移，从而产生相位

频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第一部分从混频装置130_1发送到90°混合耦合器305A，并且频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第二部分从混频装置130_2发送到90°混合耦合器305A。在接收到频率为f₁的微波信号的具有相位为的经下变频的第一部分之后，90°混合耦合器305A被配置为向相位增加90°相位，从而产生相位并且向端口003发送频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第一部分。90°混合耦合器305A被配置为向端口003发送频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第二部分，这意味着90°混合耦合器305A不增加相位。对于从混频装置130_1和130_2发送的微波信号，在端口003处发生相长干涉。在90°混合耦合器305A的输出端口003处，来自顶部路径的微波信号的第一部分的相位具有相位来自底部路径的微波信号的第二部分的相位具有相位因此，这两个微波信号(已经从混频装置130_1和130_2接收)通过混合耦合器305A相长地相加，并且组合的微波信号在端口003处输出。在图7中描绘了在端口001处的相消干涉。

图9描绘了根据实施例当频率为f₁的微波信号输入到90°混合器305A的端口003(例如，端口3)时操作四端口环行器300以在端口002(例如，端口2)处以频率f₂输出。在这种场景下发生相消干涉。频率为f₁的微波信号在90°混合耦合器305A的端口003处被接收。混合耦合器305A被配置为分离在端口003处接收的微波信号的功率。同样地，90°混合耦合器305A被配置为向微波信号的第一部分(即，1/2)添加90°相移，并向超导非简并三波混频装置130_1的端口320_1发送微波信号的第一部分。混合耦合器305A被配置为向超导非简并三波混频装置130_2的端口320_2发送微波信号的第二部分(即，1/2)(没有相移)。

在端口320_1处接收的微波信号的第一部分(具有90°相位增加)和在端口320_2处接收的微波信号的第二部分(没有相位变化)通过它们各自的混频装置130_1和130_2都从频率f₁上变频为频率f₂。另外，非简并三波混频约瑟夫森装置130_1被配置为向已在端口320_1处接收的微波信号的第一部分添加相移，从而产生类似地，非简并三波混频约瑟夫森装置130_2被配置为向已在端口320_2处接收的微波信号的第二部分添加相移，从而产生相位

频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第一部分从混频装置130_1发送到混合耦合器305B，并且频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第二部分从混频装置130_2发送到180°混合耦合器305B。180°混合耦合器305B被配置为向端口002发送频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第一部分，这意味着180°混合耦合器305B不添加相位。在接收到频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第二部分之后，180°混合耦合器305B被配置为向相位 添加180°相位，从而产生相位并且向端口002发送频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第二部分。在具有从混频装置130_1和130_2发送的微波信号的端口002处发生相消干涉。在180°混合耦合器305B的输出端口002处，来自顶部路径的微波信号的第一部分的相位具有相位并且来自底部路径的微波信号的第二部分的相位具有相位因此，这两个微波信号(已经从混频装置130_1和130_2接收)经由混合耦合器305B相消地相加，并且在端口002处没有输出微波信号。然而，关于180°混合器305B的端口004，微波信号的第一部分和第二部分(已经从混频装置130_1和130_2接收)通过混合耦合器305B相长地相加，并且从端口004输出组合的微波信号，如图10所示。

图10描绘了根据实施例当频率为f₁的微波信号输入到90°混合器305A的端口003(例如，端口3)时操作四端口环行器300以在端口004(例如，端口4)处以频率f₂输出。频率为f₁的微波信号在90°混合耦合器305A的端口003处被接收。混合耦合器305A被配置为分离在端口003处接收的微波信号的功率。同样地，90°混合耦合器305A被配置为向微波信号的第一部分(即，1/2)添加90°相移，并向超导非简并三波混频装置130_1的端口320_1发送微波信号的第一部分。混合耦合器305A被配置为向超导非简并三波混频装置130_2的端口320_2发送微波信号的第二部分(即，1/2)(没有相移)。

在端口320_1处接收的微波信号的第一部分(具有90°相位增加)和在端口320_2处接收的微波信号的第二部分(没有相位变化)通过它们各自的混频装置130_1和130_2都从频率f₁上变频为频率f₂。另外，非简并三波混频约瑟夫森装置130_1被配置为向已经在端口320_1处接收的微波信号的第一部分添加相移，从而产生相位类似地，非简并三波混频约瑟夫森装置130_2被配置为向已在端口320_2处接收的微波信号的第二部分添加相移，从而产生相位

频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第一部分从混频装置130_1发送到混合耦合器305B，并且频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第二部分从混频装置130_2发送到180°混合耦合器305B。在接收到频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第一部分之后，180°混合耦合器305B被配置为向相位添加0°相位(无相移)，并且向端口004发送频率为f₂的微波信号的具有相位 的经上变频的第一部分，这意味着180°混合耦合器305B不增加相位。在接收到频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第二部分之后，180°混合耦合器305B被配置为向端口004发送频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第二部分。对于从混频装置130_1和130_2发送的微波信号，在端口004处发生相长干涉。在180°混合耦合器305B的输出端口004处，来自顶部路径的微波信号的第一部分的相位具有相位并且来自底部路径的微波信号的第二部分的相位具有相位因此，这两个微波信号(已经从混频装置130_1和130_2接收)通过混合耦合器305B相长地相加，并且在端口004处输出组合的微波信号。然而，关于180°混合305B的端口002，微波信号的第一部分和第二部分(已经从混频装置130_1和130_2接收)通过混合耦合器305B相消地相加，并且没有从端口002输出微波信号，如图9所示。

图11描绘了根据实施例当频率为f₂微波信号输入到180°混合器305B的端口004(例如，端口4)时操作四端口环行器300以在端口003(例如，端口3)处以频率f₁输出。此场景描绘了相消干涉。频率为f₂的微波信号在180°混合耦合器305B的端口004处被接收。混合耦合器305B被配置为分离在端口004处接收的微波信号的功率。180°混合耦合器305A被配置为向微波信号的第一部分(即，1/2)添加0°相移，并且向超导非简并三波混频装置130_1的端口322_1发送微波信号的第一部分。混合耦合器305B被配置为向超导非简并三波混频装置130_2的端口322_2发送微波信号的第二部分(即，1/2)(没有相移)。

在端口322_1处接收的微波信号的具有0°相位的第一部分和在端口322_2处接收的微波信号的没有相位(即0°)变化的第二部分通过它们各自的混频装置130_1和130_2都从频率f₂下变频为频率f₁。另外，非简并三波混频约瑟夫森装置130_1被配置为向已在端口322_1处接收的微波信号的第一部分的0°相位添加相移，从而产生相位类似地，非简并三波混频约瑟夫森装置130_2被配置为向已在端口322_2处接收的微波信号的第二部分的0°相位添加相移，从而产生相位

频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第一部分从混频装置130_1发送到90°混合耦合器305A，而频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第二部分从混频装置130_2发送到90°混合耦合器305A。在接收到频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第一部分之后，90°混合耦合器305A被配置为向相位增加90°相位，从而产生相位并向端口003发送频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第一部分。90°混合耦合器305A被配置为向端口003发送频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第二部分，这意味着90°混合耦合器305A不增加相位。对于从混频装置130_1和130_2发送的微波信号，在端口003处发生相消干涉。因此，这两个微波信号(已经从混频装置130_1和130_2接收)通过混合耦合器305A相消地相加，并且在端口003处没有输出微波信号。如图12所示，在端口001处发生相干干涉。

图12描绘了根据实施例当频率为f₂的微波信号输入到180°混合器305B的端口004(例如，端口4)时操作四端口环行器300以在端口001(例如，端口1)处以频率f₁输出。频率为f₂的微波信号在180°混合耦合器305B的端口004处被接收。混合耦合器305B被配置为分离在端口004处接收的微波信号的功率。180°混合耦合器305A被配置为向微波信号的第一部分(即，1/2)添加0°相移，并且向超导非简并三波混频装置130_1的端口322_1发送微波信号的第一部分。混合耦合器305B被配置为向超导非简并三波混频装置130_2的端口322_2发送微波信号的第二部分(即，1/2)(没有相移)。

在端口322_1处接收的微波信号的具有0°相位的第一部分和在端口322_2处接收的微波信号的没有相变(即，0°)的第二部分通过它们各自的混频装置130_1和130_2都从频率f₂下变频为频率f₁。另外，非简并三波混频约瑟夫森装置130_1被配置为向已经在端口322_1处接收的微波信号的第一部分的0°相位添加相移，从而产生相位类似地，非简并三波混频约瑟夫森装置130_2被配置为向已在端口322_2处接收的微波信号的第二部分的0°相位添加相移，从而产生相位

频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第一部分从混频装置130_1发送到90°混合耦合器305A，而频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第二部分从混频装置130_2发送到90°混合耦合器305A。90°混合耦合器305A被配置为向端口001发送频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第一部分，这意味着90°混合耦合器305A不添加相位。在接收到频率为f₁的微波信号的具有相位的经下变频的第二部分后，90°混合耦合器305A被配置为向相位添加90°相位，从而产生相位并向端口001发送频率为f₂的微波信号的具有相位的经上变频的第一部分。

对于从混频装置130_1和130_2发送的微波信号，在端口001发生相长干涉。因此，这两个微波信号(已经从混频装置130_1和130_2接收)通过混合耦合器305A相长地相加，并且在端口001处输出组合的微波信号。在端口003处发生相消干涉，如图11所示。

根据上面提供的场景，应当理解的是，当从混合耦合器305A的一个输出端口(通过相长干涉)输出组合的微波信号时，在混合耦合器305A的另一个输出端口处发生相消干涉，以使得没有信号输出。同样，应当理解，当从混合耦合器305B的一个输出端口(通过相长干涉)输出组合的微波信号时，在混合耦合器305B的另一个输出端口处发生相消干涉，以使得没有信号输出。

图13示出了根据实施例的形成超导装置300的方法的流程图1300。在框1302处，提供具有第一混频端口320_1和第二混频端口322_1的第一混频装置130_1。在框1304处，提供具有另一个第一混频端口320_2和另一个第二混频端口322_2的第二混频装置130_2。第一和第二混频装置130_1,130_2是超导非简并三波混频装置。

在框1306处，第一混频端口320_1和该另一个第一混频端口320_2被耦接到第一耦合器305A。在框1308处，第二混频端口322_1和该另一个第二混频端口322_2耦接到第二耦合器305B。

第一混频装置130_1和第二混频装置130_1并联耦接在一起。第一混频装置130_1的第一混频端口320_1和第二混频装置130_2的该另一个第一混频端口320_2被配置为具有第一功能。第一功能可以分别作为信号谐振器115A操作，以频率f₁接收信号，以及以频率f₁输出信号。

第一混频装置130_1的第二混频端口322_1和第二混频装置130_2的该另一个第二混频端口322_2被配置为具有第二功能。第二功能可以分别作为空闲谐振器115B操作，以频率f₂接收信号，以及以频率f₂输出信号。

第一混频装置130_1具有第三混频端口324_1，第二混频装置130_2具有另一个第三混频端口324_2。第一混频装置130_1的第三混频端口324_1和第二混频装置130_2的另一个第三混频端口324_2被配置为具有第三功能。第三功能可以分别接收泵浦信号，用于在转换模式下操作装置(没有光子增益)，其中所施加的泵浦频率f_P满足关系f_P＝|f_I-f_S|或|f₂-f₁|，其中输入到端口324_1的泵浦信号具有相位并且输入到端口324_2的泵浦信号具有相位

第一混频装置130_1和第二混频装置130_2被配置为从第一耦合器305A接收信号。第一混频装置130_1和第二混频装置130_2被配置为向第二耦合器305B输出信号，该信号已由第一混频装置130_1和第二混频装置130_2转换，以使得第二耦合器305B被配置为通过一个端口输出该信号。

第一混频装置130_1和第二混频装置130_2被配置为从第二耦合器305A接收信号。第一混频装置130_1和第二混频装置130_2被配置为向第一耦合器305A输出信号，该信号已由第一混频装置130_1和第二混频装置130_2转换，以使得第一耦合器305A被配置为通过一个端口输出该信号。

第一耦合器和第二耦合器是90度混合耦合器，第一耦合器是90度混合耦合器而第二耦合器是180度混合耦合器，或者第一耦合器是180度混合耦合器而第二耦合器是90度混合耦合器。

图14示出了根据实施例的形成超导四端口环行器300的方法的流程图1400。在框1402处，提供具有第一信号端口320_1和第二空转端口322_1的第一约瑟夫森参量装置130_1。在框1404处，第二约瑟夫森参量装置130_1具有另一个第一信号端口320_2和另一个第二空转端口322_2，第一和第二混频装置130_1,130_2是超导非简并三波混频装置。

在框1406处，第一信号端口320_1和该另一个第一信号端口320_2被耦接到第一耦合器305A。在框1408处，第二空转端口322_1和该另一个第二空转端口322_2被耦接到第二耦合器305B。

图15是根据实施例的操作超导四端口环行器300的方法的流程图1500。在框1502处，在第一耦合器305A的端口处接收信号，其中，第一约瑟夫森参量装置130_1和第二约瑟夫森参量装置130_2并联耦接到第一耦合器305A和第二耦合器305B。在框1504处，在第二耦合器305B的预定义端口处输出信号(根据环行器400的预定循环模式)。

电路330,130_1,130_2的电路元件可以由超导材料制成。各个谐振器和传输线/馈线/泵浦线由超导材料制成。混合耦合器可以由超导材料制成。超导材料的例子(在低温下，例如约10-100毫开(mK)或约4K)包括铌，铝，钽等。例如，约瑟夫森结由超导材料制成，并且它们的隧道结可以由薄的隧道势垒制成，例如氧化物。电容器可以由超导材料制成，其由介电材料隔开，具有非常低的损耗。连接各种元件的传输线(即，导线)由超导材料制成。

这里参考相关附图描述了本发明的各种实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以设计替代实施例。尽管在以下描述和附图中的元件之间阐述了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，即使方向改变，本文描述的许多位置关系在所描述的功能被保持的情况下是不依赖方向的。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，并且本发明并不意图在这方面进行限制。因此，实体的耦接可以指直接或间接耦接，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接的位置关系。作为间接位置关系的示例，本说明书中关于在层“B”上形成层“A”的引用包括：其中一个或多个中间层(例如，层“C”)在层“A”和层“B”之间的情况，只要层“A”和层“B”的相关特性和功能实质上不被中间层改变。

以下定义和缩写是用于权利要求和说明书的解释。如这里所使用的，术语“包括”，“包括了”，“包含”，“包含了”，“具有”，“拥有”，“含有”或“含有了”或其任何其它变型旨在涵盖非排它的包含。例如，包括一列元素的组合物，混合物，过程，方法，物品或设备不一定仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出的其它元素或这种组合物，混合物，过程，方法，物品或设备的固有的其它元素。

此外，术语“示范性”在本文中用于表示“用作示例，实例或说明”。本文中描述为“示范性”的任何实施例或设计不一定被解释为优于或胜过其它实施例或设计。术语“至少一个”和“一个或多个”应理解为包括大于或等于1的任何整数，即一个，两个，三个，四个等。术语“多个”应理解为包括大于或等于2的任何整数，即两个，三个，四个，五个等。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”，“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或可以不包括特定特征，结构或特征。而且，这些短语不一定是指同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征，结构或特性时，提出结合其它实施例(无论是否明确描述)影响此类特征，结构或特性属于本领域技术人员的知识范围内。

出于以下描述的目的，术语“上”，“下”，“右”，“左”，“垂直”，“水平”，“顶部”，“底部”及其派生词应涉及所描述的结构和方法，如附图中所示。术语“覆盖”，“顶上”，“顶部”，“定位在之上”或“定位在顶部”意味着第一元素(例如第一结构)存在于第二元素(例如第二结构)上，其中在第一元素和第二元素之间可以存在诸如界面结构的中间元素。术语“直接接触”是指第一元素(例如第一结构)和第二元素(例如第二结构)在两个元素的界面处在没有任何中间导电，绝缘或半导体层的情况下连接。

短语“选择为”，诸如，例如，“选择为第二元素的第一元素”，意味着第一元素可以被蚀刻，第二元素可以作为蚀刻停止点。

术语“约”，“基本上”，“大约”和它们的变型，旨在包括与基于在提交本申请时可用的设备的特定数量的测量相关的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或±5％，或±2％的范围。

如本文前面提到的，为了简洁起见，与超导装置和集成电路(IC)制造相关的常规技术可以或可以不在此详细描述。然而，通过背景技术，现在将提供可用于实现本发明的一个或多个实施例的超导装置制造过程的更一般描述。尽管用于实现本发明的一个或多个实施例的特定制造操作可以是单独已知的，但是所描述的本发明的操作和/或所得结构的组合是唯一的。因此，结合根据本发明的半导体器件的制造描述的操作的独特组合利用在电介质(例如，硅)衬底上的超导体上执行的各种单独已知的物理和化学过程，其中一些在以下段落中描述。

通常，用于形成将被封装到IC中的微芯片的各种过程落入一般类别，包括，薄膜沉积，去除/蚀刻，以及图案化/光刻。沉积是生长，涂覆或以其它方式将材料转移到晶片上的任何过程。可用的技术包括物理气相沉积(PVD)，化学气相沉积(CVD)，电化学沉积(ECD)，分子束外延(MBE)以及最近的原子层沉积(ALD)等。去除/蚀刻是从晶片上去除材料的任何过程。示例包括蚀刻过程(湿法或干法)和化学机械平坦化(CMP)等。导体(例如，多晶硅，铝，铜等)和绝缘体(例如，各种形式的二氧化硅，氮化硅等)二者的膜用于连接和隔离组件。光刻是在半导体衬底上形成三维浮雕图像或图案，用于随后将图案转移到衬底。在光刻中，图案由称为光致抗蚀剂的光敏聚合物形成。为了构建电路的复杂结构，重复多次光刻和蚀刻图案转移步骤。印刷在晶片上的每个图案与先前形成的图案对齐，并且缓慢地构建导体，绝缘体和其它区域以形成最终器件。

在附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施例的制造和/或操作方法的可能的实现方式。该方法的各种功能/操作在流程图中由框表示。在一些替代实现方式中，框中提到的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。