JP2018514094A

JP2018514094A - 超伝導単極双投スイッチシステム

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Publication number: JP2018514094A
Application number: JP2017540159A
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Inventors: ネイアマン、オフェル
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corp
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Abstract

共通ノードを介して第２のＳＱＵＩＤに結合された第１のＳＱＵＩＤ、共通ノードに結合された入力ポート、第１のＳＱＵＩＤに結合された第１の出力ポート、および第２のＳＱＵＩＤに結合された第２の出力ポートを有するフィルタネットワークを含む超伝導スイッチシステムが提供される。超伝導スイッチシステムは、第１のＳＱＵＩＤおよび第２のＳＱＵＩＤを流れる誘導電流の量を制御して、入力端子に供給される信号の所望の帯域幅の部分が第１の出力端子に流れ、かつ第２の出力端子への通過が遮断される第１のインダクタンス状態と、入力信号の所望の帯域幅の部分が第２の出力端子に流れ、第１の出力端子への通過を遮断する第２のインダクタンス状態との間で第１および第２のＳＱＵＩＤを交互に切替えるスイッチコントローラを含む。

Description

本発明は、一般に、超伝導回路に関し、より詳細には、超伝導単極双投スイッチシステムに関する。

従来のマイクロ波の機械的、電気機械的および電子的スイッチは、互換性のない製造プロセスおよび高い電力損失のために、超伝導電子回路のオンチップ集積化および超伝導電子回路の低温動作に適合しないことがある。同様に、電圧可変キャパシタ（すなわちバラクタ）、機械ドライバ等の能動素子、あるいは強誘電体材料およびフェライト材料の使用によって一般的に実現される調整可能なフィルタは、単一磁束量子（ＳＦＱ：ｓｉｎｇｌｅｆｌｕｘｑｕａｎｔｕｍ）で生成できる信号レベルによって容易に制御することができず、フィルタの多くは極低温では動作しない。固定および可変の両方の超伝導マイクロ波フィルタは、高温超伝導体および低温超伝導体の両方を使用して以前に実現されていたが、スイッチング応用における使用では、高い反射損失、利用可能な帯域幅の制限、および帯域外のオフ状態の不十分な分離が生じることとなる。

一例において、第１の可変インダクタンス結合素子を有する第１の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と、第２の可変インダクタンス結合素子を有する第２のＳＱＵＩＤとを含む超伝導スイッチシステムが提供される。第２のＳＱＵＩＤは、共通ノードを介して第１のＳＱＵＩＤに結合されている。超伝導スイッチシステムは更に、共通ノードに結合された第１の端子と、共通ノードの反対側の端部を介して第１のＳＱＵＩＤに結合された第２の端子と、共通ノードの反対側の端部を介して第２のＳＱＵＩＤに結合された第３の端子と、スイッチコントローラとを含む。スイッチコントローラは、対立するインダクタンス状態の間で、第１の可変インダクタンス結合素子および第２の可変インダクタンス結合素子の設定を制御して、第１の端子と第２の端子との間の第１の経路および第１の端子と第３の端子との間の第２の経路とのうちの一方の間での信号の転送を可能にするように構成されている。

別の例において、超伝導スイッチシステムは、共通ノードを介して第２のＳＱＵＩＤに結合された第１のＳＱＵＩＤを有するフィルタネットワークと、共通ノードに結合された入力ポートと、第１のＳＱＵＩＤに結合された第１の出力ポートと、第２のＳＱＵＩＤに結合された第２の出力ポートとを含む。超伝導スイッチシステムは、第１のＳＱＵＩＤおよび第２のＳＱＵＩＤを流れる誘導電流の量を制御して、入力端子に供給される信号の所望の帯域幅の部分が第１の出力端子に流れ、かつ第２の出力端子への通過が遮断される第１のインダクタンス状態と、入力信号の所望の帯域幅の部分が第２の出力端子に流れ、第１の出力端子への通過を遮断する第２のインダクタンス状態との間で第１および第２のＳＱＵＩＤを交互に切替えるスイッチコントローラをも含む。

更に別の例において、第１の超伝導ループ内に配置された第１のインダクタ、第１のジョセフソン接合および共通インダクタを有する第１のＳＱＵＩＤと、第２の超伝導ループ内に配置された共通インダクタと、第２のジョセフソン接合と、第２のインダクタとを有する第２のＳＱＵＩＤとを含む超伝導スイッチが提供される。第１の端子は、共通インダクタの第１の端部、第１のジョセフソン接合の第１の端部、および第２のジョセフソン接合の第１の端部に接続する共通ノードに結合されている。第２の端子は、第１のジョセフソン接合の第２の端部および第１のインダクタの第１の端部に結合され、第３の端子は、第２のジョセフソン接合の第２の端部および第２のインダクタの第１の端部に結合されている。コモンモード磁束バイアスラインは、共通インダクタに誘導的に結合された共通バイアスインダクタを含む。差動モード磁束バイアスラインは、第１のインダクタに誘導的に結合された第１の差動バイアスインダクタと、第２のインダクタに誘導的に結合された第２の差動バイアスインダクタとを含む。

一例の超伝導単極双投スイッチシステムのブロック図を示す図。一例の単極双投スイッチ回路の概略図を示す図。インダクタＬ１およびＬ２としてモデル化された図２の接合Ｊ_１およびＪ_２を用いたシミュレーション利用用の回路図を示す図。入力ポート端子１から出力ポート端子２への入力信号の伝送と、出力ポート端子３への入力信号の伝送の遮断を示すグラフ。入力ポート端子１から出力ポート端子３への入力信号の伝送と、出力ポート端子２への入力信号の伝送の遮断を示すグラフ。シミュレーションにおいて利用するために異なるフィルタ設計における別の例の単極双投スイッチ回路の概略的な回路を示す図。図６の回路の一組のＷＲＳｐｉｃｅシミュレーション結果を示す図。

本開示は、概して、超伝導回路に関し、より詳細には、超伝導単極双投スイッチングシステムに関する。超伝導単極双投スイッチングシステムは、フィルタネットワークの第１のセクションとフィルタネットワークの第２のセクションとを結合しかつ分離する、第１の経路とも称される第１の可変インダクタンス結合器（可変インダクタンス結合要素とも称される）と、フィルタネットワークの第１のセクションとフィルタネットワークの第３のセクションとを結合しかつ分離する、第２の経路とも称される第２の可変インダクタンス結合器とを含む。第１及び第２の可変インダクタンス結合器は、スイッチングシステムの第１のインダクタンス状態を有するように制御することができ、第１のインダクタンス状態は、フィルタネットワークの第１及び第２のセクション間での信号の通過を許容し、フィルタネットワークの第１及び第３のセクションからの信号の通過を遮断する。さらに、第１および第２の可変インダクタンス結合器は、スイッチングシステムの第２のインダクタンス状態を有するように制御することができ、第２のインダクタンス状態は、フィルタネットワークの第１および第３のセクション間での信号の通過を許容し、フィルタネットワークの第１および第２のセクションからの信号を遮断する。

一例では、第１および第２の可変インダクタンス結合器は、隣接する高周波（ＲＦ）超伝導量子干渉デバイス（以下、ＲＦＳＱＵＩＤまたはＳＱＵＩＤと称する）の各要素である。第１の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ：ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱｕａｎｔｕｍＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＤｅｖｉｃｅ）は、第１の可変インダクタンス結合器と、第１の可変インダクタンス結合器の反対側に結合された第２のインダクタを含む。第２のＳＱＵＩＤは、第２のインダクタと、第２の可変インダクタンス結合器の反対側に結合された第３のインダクタとを含む。第２のインダクタは、第１および第２のＳＱＵＩＤの両方を互いに結合して、二重ＳＱＵＩＤ回路構成を形成する共通インダクタとすることができる。可変インダクタンス結合器は、例えば、ジョセフソン接合とすることができ、ジョセフソン接合は、ジョセフソン接合を流れる電流に基づいて変化する誘導を有する。所与のジョセフソン接合を流れる電流は、個々のＳＱＵＩＤに印加される磁束に基づいて誘導することができる。

一例では、第１および第２のジョセフソン接合は、個々のＳＱＵＩＤにおいて電流または低電流が誘導されていないときは第１のインダクタンスを有し、例えば、約０．１Φ_０を超え、約０．４５Φ_０未満の磁束（Φ_０は磁束量子と等しい）を生成または誘導する所定の閾値における電流またはより高電流が個々のＳＱＵＩＤに誘導されるときは第２のインダクタンスを有する。第１のインダクタンス（例えば、h／２ｅ＊１／Ｉ_Ｃ、hはプランク定数を２πで割ったもの、ｅは電子電荷、Ｉ_Ｃはジョセフソン接合の臨界電流）は、フィルタネットワークの所望のセクション間の結合を提供して、所望のセクションの対向する端部間で入力信号の所望の帯域幅の部分を通過させることができる。第２のインダクタンス（例えば、大きなインダクタンス値）は、フィルタネットワークのセクション間の分離を提供して、不所望のセクションの対向する端部間で入力信号の所望の帯域幅の部分の通過を遮断することができる。

図１は、一例の超伝導単極双投スイッチシステム１０を示す。超伝導単極双投スイッチシステム１０は、第１の端子（ＴＭ_Ａ）からの信号を第２の端子（ＴＭ_Ｂ）または第３の端子（ＴＭ_Ｃ）のうちの１つに転送する。代替的に、第２の端子ＴＭ_Ｂまたは第３の端子ＴＭ_Ｃのうちの１つから第１の端子ＴＭＡに信号を転送することができる。超伝導単極双投スイッチシステム１０は、様々な超伝導回路システムのいずれかに実装して、２つの代替経路間で信号のスイッチ制御を提供することができる。一例として、信号は、キュービット（ｑｕｂｉｔ）に対してゲート動作または読み出し動作を実行するなど、量子回路用の制御方式で実施されるマイクロ波信号であってもよい。別の例として、信号は、信号パルス、通信信号、または制御コマンド信号であってもよい。超伝導スイッチシステム１０は、第１の経路および第２の経路のうちの１つを通過する信号の所望の部分（例えば、特定の周波数帯域幅）に対応する帯域通過フィルタリングされた出力信号を提供することができる。付加的に、信号の所望の部分は、第１の経路および第２の経路の他方を通過することができないように遮断することができる。

一例として、超伝導スイッチシステム１０は、１つまたは複数の入力共振器としてのフィルタネットワーク１２の入力部分と、１つまたは複数の出力共振器をそれぞれ有するフィルタネットワーク１２の一対の出力部分とを構成するための１つまたは複数のインピーダンス構成要素（すなわち、キャパシタ、抵抗器、インダクタ）を含むマイクロ波バンドパスフィルタネットワーク１２を含む。フィルタネットワーク１２は、第１の経路に関連する第１の可変インダクタンス結合器を有する第１のＳＱＵＩＤと、第２の経路に関連する第２の可変インダクタンス結合器を有する第２のＳＱＵＩＤとを含む二重ＳＱＵＩＤ回路１４を含む。第１および第２のＳＱＵＩＤはそれぞれ、個々のＳＱＵＩＤの超伝導ループの構成要素と、１つまたは複数の入力共振器および／または１つまたは複数の出力共振器のインピーダンス構成要素との両方として動作する１つまたは複数の構成要素を含む。付加的に、第１および第２のＳＱＵＩＤは、第１および第２のＳＱＵＩＤ間で共有される１つまたは複数の構成要素を含むこともできる。第１および第２のＳＱＵＩＤは、超伝導スイッチの能動素子として動作して、ＳＱＵＩＤの磁束調整可能なインダクタンスがフィルタ回路のセクションを選択的に結合して、２つの経路のうちの１つの経路間の信号の通過を提供し、２つの経路のうちの他の経路間の信号を遮断する。ＳＱＵＩＤは、５０オームのインピーダンス環境へのマッチングを提供するようにマイクロ波バンドパスフィルタネットワーク１２に組み込まれる。

一組のバイアス要素１６は、第１および第２のＳＱＵＩＤのうちの一方における正味の電流が所定の閾値（例えば、磁束量子の半分の実質的な部分の正味磁束）を超える結果として正味の磁束と、第１および第２のＳＱＵＩＤのうちの他方における正味電流が所定の閾値（例えば、約０の正味磁束）を実質的に下回る結果としての正味の磁束との誘導をもたらす構成で第１および第２のＳＱＵＩＤに誘導的に結合されている。所定の閾値を超えるＳＱＵＩＤのうちの１つにおいて誘導される正味の磁束または電流は、ＳＱＵＩＤに関連する可変インダクタンス結合器に対して高いインダクタンスをもたらし、個々のＳＱＵＩＤを介する信号を遮断する。ＳＱＵＩＤの１つにおいて誘導される正味の磁束または電流が、所定の閾値を実質的に下回ると、ＳＱＵＩＤに関連する可変インダクタンス結合器のインダクタンスが低くなり、その個々のＳＱＵＩＤを介して信号が通過する。バイアス要素１６は、バイアス要素１６へのバイアス電流の量および極性を制御するスイッチコントローラ１８によって制御することができ、スイッチコントローラ１８は、次に、各個々のＳＱＵＩＤにおいて誘導され、かつ各個々のＳＱＵＩＤの可変インダクタンス結合器を流れる電流および磁束の量を制御する。

図２は、単極双投スイッチ回路３０の概略図を示す。図２に示すように、ジョセフソン接合Ｊ_１は、第１のインダクタＬ_１および共通インダクタＬ_ＣＯＭに接続され、外部から印加される磁束Φ_１を囲む第１のＲＦ−ＳＱＵＩＤ３２（ＳＱＵＩＤ＃１）を形成する。同様に、ジョセフソン接合Ｊ_２は、第２のインダクタＬ_２および共通インダクタＬ_ＣＯＭに接続され、外部から印加される磁束Φ_２を囲む第２のＲＦ−ＳＱＵＩＤ３４（ＳＱＵＩＤ＃２）を形成する。第１のインダクタＬ_１、共通インダクタＬ_ＣＯＭおよび第２のインダクタＬ_２の反対側の端部は共通の基準点（接地）に結合されて、第１のＲＦＳＱＵＩＤ３２に関連する第１の超伝導ループを形成し、かつ第２のＲＦＳＱＵＩＤに関連する第２の超伝導ループを形成する。ジョセフソン接合の臨界電流は、Ｉ_ｃ１，２（Ｌ_１，２＋Ｌ_ｃｏｍ）＜Φ_０である。Ｊ_１およびＪ_２の実効インダクタンスは、それぞれ印加磁束Φ_１とΦ_２の関数である。印加された磁束がほぼゼロのとき、個々の接合のインダクタンスはＬ＝h／２ｅＩ_ｃで与えられる。ここで、Ｉ_ｃは接合臨界電流である。接合インダクタンスは、磁束がΦ_０／２の付近の値（正確な値は接合臨界電流とＲＦ−ＳＱＵＩＤループの自己インダクタンスとの積に依存する）に達すると、発散するまで印加磁束とともに増加する。

入力端子（ＴＭ_Ａ）またはポートは、入力結合キャパシタＣ_ＣＡを介して第１および第２のＲＦＳＱＵＩＤ３２，３４の共通ノード３６に結合される。第１の出力端子（ＴＭ_Ｂ）またはポートは、第１の出力結合キャパシタＣ_ＣＢを介して第１のＲＦＳＱＵＩＤ３２に接続され、第２の出力端子（ＴＭ_Ｂ）またはポートは、第２の出力結合キャパシタ（ＴＭ_Ｃ）を介して第２のＲＦＳＱＵＩＤ３４に接続される。スイッチ回路３０が適切に機能するフィルタ回路として動作するためには、図３および図６に示すフィルタ構成と同様にＬ_１、Ｌ_２およびＬ_ＣＯＭに並列にキャパシタを配置する必要があることを理解されたい。第１のインダクタＬ_１に誘導的に結合された第１の差動モードバイアスインダクタ（Ｌ_ＢＤ１）と第２のインダクタＬ_２に誘導的に結合された第２の差動モードバイアスインダクタ（Ｌ_ＢＤ２）とを含む差動モード磁束バイアスライン（ＤＭＬ）が設けられている。付加的に、共通インダクタ（Ｌ_ＣＯＭ）に誘導的に結合されるコモンモードバイアスインダクタ（Ｌ_ＢＣ）を含むコモンモード磁束バイアスライン（ＣＭＬ）が設けられている。スイッチコントローラ（図示せず）は、差動モード磁束バイアスライン（ＤＭＬ）およびコモンモード磁束バイアスライン（ＣＭＬ）に印加される電流の大きさおよび方向を制御して、各ＳＱＵＩＤに印加される磁束の量および極性、したがって、第１のジョセフソン接合Ｊ_１および第２のジョセフソン接合Ｊ_２のインダクタンスを制御することができる。

磁束Φ_１および磁束Φ_２は、磁束Φ_１または磁束Φ_２の一方が本質的にゼロであることに応答して接合Ｊ_１またはＪ_２の一方が低インダクタンスを有し、他方の接合がΦ_０／２の実質的な部分である他方の磁束Φ_１またはΦ_２に応答して大きなインダクタンスを有するように印加される。この例では、入力信号ＳＩＧ_ＩＮ（例えば、マイクロ波信号）が、選択された低インダクタンス接合（Ｊ_１またはＪ_２）を介して入力ポート（ＴＭ_Ａ）から選択された出力ポート（ＴＭ_ＡまたはＴＭ_Ｂ）に出力信号（ＳＩＧ_ＯＵＴ１またはＳＩＧ_ＯＵＴ２）として流れ、選択されていない高インダクタンス接合（Ｊ_１またはＪ_２の他方）に接続された非選択ポート（ＴＭ_ＡまたはＴＭ_Ｂの他方）は分離状態に維持される。印加される磁束Φ_１およびΦ_２を制御することによって、入力信号ＳＩＧ_ＩＮは、入力ポートから一方の出力ポートに転送され、他方の出力ポートは入力信号を通過しないように分離することができる。

図２は、デバイスのコモンモードバイアスライン（ＣＭＬ）と差動モードバイアスライン（ＤＭＬ）を介して２つのバイアス電流を印加することによって、磁束Φ_１およびΦ_２を個別に制御する方法を示す。バイアス電流の印加は、第１のインダクタＬ_１に誘導的に結合された第１の差動モードバイアスインダクタＬ_ＢＤ１と、第２のインダクタＬ_２に誘導的に結合された第２のバイアスインダクタＬ_ＢＤ２と、共通インダクタＬ_ｃに誘導的に結合されたコモンモードバイアスインダクタＬ_ＢＣとから形成される超伝導変圧器を介して第１及び第２のＳＱＵＩＤに電流を誘導する。コントロールラインは、コモンモード磁束バイアスライン（ＣＭＬ）によって誘導された磁束が、一方のＳＱＵＩＤにおける差動モード磁束バイアスライン（ＤＭＬ）によって誘導された磁束に加算され、その磁束が他方のＳＱＵＩＤにおける磁束から減算されるように構成されている。

例えば、第１および第２のＳＱＵＩＤ３２，３４の両方に０．２Φ_０の磁束をそれぞれ誘導するためにコモンモード磁束ライン（ＣＭＬ）と表示されたラインを介してＤＣ電流Ｉ_ＣＯＭが印加され、これにより、第１のＳＱＵＩＤ３２において電流−Ｉ_ＣＩＮＤが誘導され、第２のＳＱＵＩＤ３４において電流＋Ｉ_ＣＩＮＤが誘導される。第１のＳＱＵＩＤ３２において０．２Φ_０の磁束を誘導し、第２のＳＱＵＩＤ３４において−０．２Φ_０の磁束を誘導するために差動モード磁束ライン（ＤＭＬ）と表示けられたラインを介してＤＣ電流＋Ｉ_ＤＩＮＤが印加され、これにより、第１のＳＱＵＩＤ３２において＋Ｉ_ＤＩＮＤの電流が生じ、第２のＳＱＵＩＤ３４において＋Ｉ_ＤＩＮＤの電流が生じる。この結果、第２のＳＱＵＩＤ３４は、０．４Φ_０の合計印加磁束を囲み（ジョセフソン接合Ｊ_２のインダクタンスが高くなる）、第１のＳＱＵＩＤはゼロの合計印加磁束を囲む（ジョセフソン接合Ｊ_１のインダクタンスが低くなる）。差動モード磁束バイアスライン（ＤＭＬ）またはコモンモード磁束バイアスライン（ＣＭＬ）のうちの一方に流れる電流の極性は、第１および第２のＲＦＳＱＵＩＤ３２および３４の正味の磁束および正味の電流をそれぞれ変更するように変化させることができ、この結果、１つの出力ポート（例えば、ＴＭ_Ａ）または他の出力ポート（ＴＭ_Ｂ）の間の入力信号ＳＩＧ_ＩＮの転送が制御される。

単極双投スイッチ回路３０は、単極双投スイッチ回路を５０オーム環境に適切に整合させるためにバンドパスフィルタに組み込むことができる。図３は、インダクタＬ_１およびＬ_２としてモデル化された図２の接合Ｊ_１およびＪ_２を用いたシミュレーション利用用の回路図を示す。図３はさらに、１０ＧＨｚを中心とするチェビシェフ応答を有するように設計されたバンドパスフィルタの組み込みを示す。この特定のフィルタ設計のための構成要素の値は、図３の表１に示されている。

図４〜図５は、図３の回路のアジレント（Ａｇｉｌｅｎｔ）ＡＤＳにおけるＳパラメータシミュレーションのゲイン対周波数のグラフ応答を示す。図４は、入力ポート端子１から出力ポート端子２への入力信号の送信（Ｓ_２１応答は参照番号５２として示されている）と、入力信号の出力ポート端子３への送信の遮断（Ｓ_３１応答は参照番号５６として示されている）と、入力ポート端子１における入力信号の反射（Ｓ_１１反射応答は符号５４として示されている）とを示すグラフ５０を図示している。図５は、入力ポート端子１から出力ポート端子２への入力信号の遮断（Ｓ_２１応答は参照番号５２として示されている）と、入力信号の出力ポート端子３への送信（Ｓ_３１応答は参照番号５６として示されている）、入力ポート端子１における入力信号の反射（Ｓ_１１反射応答は符号５４として示されている）とを示すグラフ６０を図示している。

印加された磁束に対する接合インダクタンスの応答は、個々のインダクタンスを１００倍増加させることによってモデル化され、実質的に印加された磁束を有する他の接合インダクタンスは変更されない状態に維持される。図４のグラフ５０において、Ｌ２のインダクタンス（図２のＪ_２を参照）は１００倍にスケーリングされ、入力ポート端子１から出力ポート端子２へ信号が転送される。図５のグラフ６０において、Ｌ１のインダクタンス（図２のＪ_１を参照）は１００倍にスケーリングされ、入力ポート端子１から出力ポート端子３へ信号が転送される。

図６は、シミュレーションにおいて利用するために異なるフィルタ設計に存在する別の例の単極双投スイッチ回路７０の概略的な回路を示す。図６は、ジョセフソン接合ｂ０およびｂ１と、「ａ」および「ｄ」と示された磁束バイアスポートを含む完結回路７０を示す。コモンモード磁束バイアスラインは、ポート「ａ」からインダクタＬ４を介して供給され、かつ変圧器Ｋ０を介して共通インダクタＬ２に結合される（図２におけるＬ_ＣＯＭを参照）。差動モード磁束バイアスは、ポート「ｄ」からインダクタＬ７およびＬ８を介して供給され、かつ変圧器Ｋ１およびＫ２を介してインダクタＬ３およびＬ６に結合される（図２におけるインダクタＬ_１およびＬ_２を参照）。回路は、ジョセフソン接合と超伝導回路の挙動を正確にモデル化する回路シミュレータであるＷＲＳｐｉｃｅでシミュレートすることができる。

図７は、図６の回路７０の一組のＷＲＳｐｉｃｅシミュレーション結果８０を示す。１０ＧＨｚにおいて−１２０ｄＢｍのトーンである入力信号８８が提供され、ＤＣコモンモード磁束（図示せず）がポート「ａ」を介して印加され、発振差動磁束８６がポート「ｄ」を介して印加され、その結果、回路７０の第１のＳＱＵＩＤおよび第２のＳＱＵＩＤに関連する磁束は、図２に示すようなΦ_１およびΦ_２に対応し、０と０．３６５０Φ_０との間で発振する。第１のプロット８２は、第１の出力ポート（ｏｕｔ１）における電圧を示し、第２のプロット８４は、回路７０の第２の出力ポート（ｏｕｔ２）における電圧を示し、入力信号８８が、発振差動磁束８６の極性の変化に応答して、第１のプロット８２において示されるようにポート１または第２のプロット８４において示されるようにポート２に交互に転送されることを示す。

可能な用途の一例では、単極双投スイッチをＲＱＬ磁束ポンプと一体化して、スイッチを２つの出力設定の間で切替える差動モード磁束を提供することができる。磁束ポンプおよびスイッチアセンブリは、さらに、超伝導キュービット回路と一体化することができる。このようなシステムは、例えば第３のキュービットの測定結果に基づいて調整された２つのキュービットのうちの１つに選択的にマイクロ波パルスを供給し、条件付き量子ゲートを実現することができる。別の可能な応用例では、スイッチは、ＲＱＬプロセッサの制御下で、一連のキュービットの異なるグループにマイクロ波読み出しパルスを印加するように構成することができる。さらに別の応用例は、２つの入力経路のうちの１つの出力を選択するためにスイッチを逆に接続することを含む。この構成は、例えば、（フィルタの通過帯域内の）異なる周波数の２つの信号をスイッチ入力に供給し、これらの２つの周波数のうちの１つを選択して出力に伝搬することを可能にする。本明細書で開示される２つの単極双投スイッチは、例えば、異なる時間遅延または狭帯域周波数応答を有する、集積マイクロ波回路内の２つの信号経路のうちの１つを選択するために協働して動作するようにしてもよい。

上記の説明は、本発明の例である。当然のことながら、本発明を説明する目的で構成要素または方法のあらゆる考えられる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれる変更、修正、および変形をすべて包含することが意図されている。

上記の説明は、本発明の例である。当然のことながら、本発明を説明する目的で構成要素または方法のあらゆる考えられる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれる変更、修正、および変形をすべて包含することが意図されている。
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
超伝導スイッチシステムであって、
第１の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含むフィルタネットワークであって、第１のＳＱＵＩＤは共通ノードを介して第２のＳＱＵＩＤに結合される、フィルタネットワークと、
前記共通ノードに結合された入力ポートと、
前記第１のＳＱＵＩＤに結合された第１の出力ポートと、
前記第２のＳＱＵＩＤに結合された第２の出力ポートと、
前記第１および第２のＳＱＵＩＤに誘導的に結合されたコモンモード磁束バイアスラインであって、前記コモンモード磁束バイアスラインは、該コモンモード磁束バイアスラインを流れる第１のバイアス電流に基づいて、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤの各々にコモンモード磁束を誘導する前記コモンモード磁束バイアスラインと、
差動モード磁束バイアスラインであって、前記差動モード磁束バイアスラインを流れる第２のバイアス電流に基づいて、前記第１のＳＱＵＩＤにおける第１の差動モード磁束および前記第２のＳＱＵＩＤにおける第２の差動モード磁束を誘導する前記差動モード磁束バイアスラインと、
前記第１および第２のバイアス電流の両方に基づいて、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤを流れる誘導電流の量を制御して、前記入力端子に供給される信号の所望の帯域幅の部分が前記第１の出力端子に流れ、かつ第２の出力端子への通過が遮断される第１のインダクタンス状態と、入力信号の所望の帯域幅の部分が前記第２の出力端子に流れ、前記第１の出力端子への通過を遮断する第２のインダクタンス状態との間で前記第１および第２のＳＱＵＩＤを交互に切替えるスイッチコントローラと
を備える超伝導スイッチシステム。
［付記２］前記第１のＳＱＵＩＤは、第１のインダクタ、第１のジョセフソン接合、および共通インダクタから形成され、前記第２のＳＱＵＩＤは、前記共通インダクタ、第２のジョセフソン接合、および第２のインダクタから形成される、付記１に記載のシステム。
［付記３］前記共通インダクタと１つまたは複数の付加的な入力インピーダンス構成要素とから形成された入力共振器と、前記第１のインダクタと１つまたは複数の付加的な第１の出力インピーダンス構成要素とから形成された１つまたは複数の第１の出力共振器と、前記第２のインダクタと１つまたは複数の付加的な第２の出力インピーダンス構成要素とから形成された第２の出力共振器とを更に備える付記２に記載のシステム。
［付記４］前記第１のインダクタンス状態は、前記第１のジョセフソン接合が比較的低いインダクタンス状態を有するときであり、前記第２のジョセフソン接合が比較的高いインダクタンス状態を有し、前記第２のインダクタンス状態は、前記第１のジョセフソン接合が比較的高いインダクタンス状態を有し、前記第２のジョセフソン接合が比較的低いインダクタンス状態を有するときである、付記２に記載のシステム。
［付記５］前記スイッチコントローラは、前記コモンモード磁束バイアスラインを流れる前記第１のバイアス電流の量と、前記差動モード磁束バイアスラインを流れる前記第２のバイアス電流の量と、前記コモンモード磁束バイアスラインおよび前記差動モード磁束バイアスラインのうちの一方を流れる電流の極性とを制御し、電流の極性の変化により、前記入力ポートと前記第１の出力ポートとの間の入力信号の転送または前記入力ポートと前記第２の出力ポートとの間の入力信号の転送の間の選択が変化する、付記１に記載のシステム。
［付記６］前記スイッチコントローラは、経路の選択により前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤのうちの一方の正味の磁束がほぼゼロであり、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤのうちの他方の正味の磁束が約０．１Φ _０〜約０．４５Φ _０（ここで、Φ _０は磁束量子と等しい）となるような、前記第１および第２のバイアス電流および前記第１および第２のバイアス電流の極性を、前記コモンモード磁束バイアスラインおよび前記差動モード磁束ラインに提供する、付記１に記載のシステム。
［付記７］前記入力端子と前記共通ノードとの間に結合された第１の結合キャパシタと、前記第１の出力端子と前記第１のＳＱＵＩＤとの間に結合された第２の結合キャパシタと、前記第２の出力端子と前記第２のＳＱＵＩＤとの間に結合された第３の結合キャパシタとを更に備え、前記第１、第２および第３の結合キャパシタは、前記第１および第２のＳＱＵＩＤに流れる電流が前記システムの他の部分の流れからは分離されることを保証する、付記１に記載のシステム。

Claims

超伝導スイッチシステムであって、
第１の可変インダクタンス結合素子を有する第１の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と、
第２の可変インダクタンス結合素子を有する第２のＳＱＵＩＤであって、該第２のＳＱＵＩＤは、共通ノードを介して前記第１のＳＱＵＩＤに結合されている、前記第２のＳＱＵＩＤと、
前記共通ノードに結合された第１の端子と、
前記共通ノードの反対側の端部を介して前記第１のＳＱＵＩＤに結合された第２の端子と、
前記共通ノードの反対側の端部を介して前記第２のＳＱＵＩＤに結合された第３の端子と、
前記第１および第２のＳＱＵＩＤに誘導的に結合されるコモンモード磁束バイアスラインであって、該コモンモード磁束バイアスラインに流れる第１のバイアス電流に基づいて、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤの各々にコモンモード磁束を誘導するコモンモード磁束バイアスラインと、
差動モード磁束バイアスラインであって、該差動モード磁束バイアスラインを流れる第２のバイアス電流に基づいて、前記第１のＳＱＵＩＤにおける第１の差動モード磁束および前記第２のＳＱＵＩＤにおける第２の差動モード磁束を誘導する前記差動モード磁束バイアスラインと、
前記第１および第２のバイアス電流の両方に基づいて、対立するインダクタンス状態の間で、前記第１の可変インダクタンス結合素子および前記第２の可変インダクタンス結合素子の設定を制御して、前記第１の端子と前記第２の端子との間の第１の経路および前記第１の端子と前記第３の端子との間の第２の経路とのうちの一方の間での信号の転送を可能にするスイッチコントローラと
を備える超伝導スイッチシステム。
前記第１および第２の可変インダクタンス結合素子は、磁束制御型可変インダクタであり、前記磁束制御型可変インダクタは、該磁束制御型可変インダクタを流れる電流の振幅に基づいて可変インダクタンスを提供する、請求項１に記載のシステム。
前記可変インダクタンス結合素子は、ジョセフソン接合を含む、請求項２に記載のシステム。
前記第１のＳＱＵＩＤは、第１のインダクタと、第１のジョセフソン接合である第１の可変インダクタンス素子と、第２のインダクタとから形成され、前記第２のＳＱＵＩＤは、前記第２のインダクタと、第２のジョセフソン接合である第２の可変インダクタンス素子と、第３のインダクタとから形成される、請求項１に記載のシステム。
前記コモンモード磁束バイアスラインは、前記第２のインダクタに誘導的に結合された共通バイアスインダクタを含み、前記差動モード磁束バイアスラインは、前記第１のインダクタに誘導的に結合された第１の差動バイアスインダクタと、前記第３のインダクタに誘導的に結合された第２の差動バイアスインダクタとを含む、請求項１に記載のシステム。
前記スイッチコントローラは、前記コモンモード磁束バイアスラインを流れる前記第１のバイアス電流の量と、前記差動モード磁束バイアスラインを流れる前記第２のバイアス電流の量と、前記コモンモード磁束バイアスラインおよび前記差動モード磁束バイアスラインのうちの一方を流れる電流の極性とを制御し、電流の極性の変化により、前記第１の経路および前記第前記スイッチコントローラは、前記コモンモード磁束バイアスラインを流れる前記第１のバイアス電流の量と、前記差動モード磁束バイアスラインを流れる前記第２のバイアス電流の量と、前記コモンモード磁束バイアスラインおよび前記差動モード磁束バイアスラインのうちの一方を流れる電流の極性とを制御し、電流の極性の変化により、前記入力ポートと前記第１の出力ポートとの間の入力信号の転送または前記入力ポートと前記第２の出力ポートとの間の入力信号の転送の間の選択が変化する２の経路のうちの一方を通過する信号の転送の選択が変化する、請求項１に記載のシステム。
前記スイッチコントローラは、経路の選択により前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤのうちの一方の正味の磁束がほぼゼロであり、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤのうちの他方の正味の磁束が約０．１Φ_０〜約０．４５Φ_０（ここで、Φ_０は磁束量子と等しい）となるような、前記第１および第２のバイアス電流および前記第１および第２のバイアス電流の極性を、前記コモンモード磁束バイアスラインおよび前記差動モード磁束ラインに提供する、請求項６に記載のシステム。
前記第１の端子と前記共通ノードとの間に結合された第１の結合キャパシタと、前記第２の端子と前記第１のＳＱＵＩＤとの間に結合された第２の結合キャパシタと、前記第３の端子と前記第２のＳＱＵＩＤとの間に結合された第３の結合キャパシタとを更に備え、前記第１、第２および第３の結合キャパシタは、前記第１および第２のＳＱＵＩＤに流れる電流が前記システムの他の部分の流れからは分離されることを保証する、請求項１に記載のシステム。
超伝導スイッチシステムであって、
第１の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含むフィルタネットワークであって、第１のＳＱＵＩＤは共通ノードを介して第２のＳＱＵＩＤに結合される、フィルタネットワークと、
前記共通ノードに結合された入力ポートと、
前記第１のＳＱＵＩＤに結合された第１の出力ポートと、
前記第２のＳＱＵＩＤに結合された第２の出力ポートと、
前記第１および第２のＳＱＵＩＤに誘導的に結合されたコモンモード磁束バイアスラインであって、前記コモンモード磁束バイアスラインは、該コモンモード磁束バイアスラインを流れる第１のバイアス電流に基づいて、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤの各々にコモンモード磁束を誘導する前記コモンモード磁束バイアスラインと、
差動モード磁束バイアスラインであって、前記差動モード磁束バイアスラインを流れる第２のバイアス電流に基づいて、前記第１のＳＱＵＩＤにおける第１の差動モード磁束および前記第２のＳＱＵＩＤにおける第２の差動モード磁束を誘導する前記差動モード磁束バイアスラインと、
前記第１および第２のバイアス電流の両方に基づいて、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤを流れる誘導電流の量を制御して、前記入力端子に供給される信号の所望の帯域幅の部分が前記第１の出力端子に流れ、かつ第２の出力端子への通過が遮断される第１のインダクタンス状態と、入力信号の所望の帯域幅の部分が前記第２の出力端子に流れ、前記第１の出力端子への通過を遮断する第２のインダクタンス状態との間で前記第１および第２のＳＱＵＩＤを交互に切替えるスイッチコントローラと
を備える超伝導スイッチシステム。
前記第１のＳＱＵＩＤは、第１のインダクタ、第１のジョセフソン接合、および共通インダクタから形成され、前記第２のＳＱＵＩＤは、前記共通インダクタ、第２のジョセフソン接合、および第２のインダクタから形成される、請求項９に記載のシステム。
前記共通インダクタと１つまたは複数の付加的な入力インピーダンス構成要素とから形成された入力共振器と、前記第１のインダクタと１つまたは複数の付加的な第１の出力インピーダンス構成要素とから形成された１つまたは複数の第１の出力共振器と、前記第２のインダクタと１つまたは複数の付加的な第２の出力インピーダンス構成要素とから形成された第２の出力共振器とを更に備える請求項１０に記載のシステム。
前記第１のインダクタンス状態は、前記第１のジョセフソン接合が比較的低いインダクタンス状態を有するときであり、前記第２のジョセフソン接合が比較的高いインダクタンス状態を有し、前記第２のインダクタンス状態は、前記第１のジョセフソン接合が比較的高いインダクタンス状態を有し、前記第２のジョセフソン接合が比較的低いインダクタンス状態を有するときである、請求項１０に記載のシステム。
前記スイッチコントローラは、前記コモンモード磁束バイアスラインを流れる前記第１のバイアス電流の量と、前記差動モード磁束バイアスラインを流れる前記第２のバイアス電流の量と、前記コモンモード磁束バイアスラインおよび前記差動モード磁束バイアスラインのうちの一方を流れる電流の極性とを制御し、電流の極性の変化により、前記入力ポートと前記第１の出力ポートとの間の入力信号の転送または前記入力ポートと前記第２の出力ポートとの間の入力信号の転送の間の選択が変化する、請求項９に記載のシステム。
前記スイッチコントローラは、経路の選択により前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤのうちの一方の正味の磁束がほぼゼロであり、前記第１のＳＱＵＩＤおよび前記第２のＳＱＵＩＤのうちの他方の正味の磁束が約０．１Φ_０〜約０．４５Φ_０（ここで、Φ_０は磁束量子と等しい）となるような、前記第１および第２のバイアス電流および前記第１および第２のバイアス電流の極性を、前記コモンモード磁束バイアスラインおよび前記差動モード磁束ラインに提供する、請求項９に記載のシステム。
前記入力端子と前記共通ノードとの間に結合された第１の結合キャパシタと、前記第１の出力端子と前記第１のＳＱＵＩＤとの間に結合された第２の結合キャパシタと、前記第２の出力端子と前記第２のＳＱＵＩＤとの間に結合された第３の結合キャパシタとを更に備え、前記第１、第２および第３の結合キャパシタは、前記第１および第２のＳＱＵＩＤに流れる電流が前記システムの他の部分の流れからは分離されることを保証する、請求項９に記載のシステム。
超伝導スイッチであって、
第１の超伝導ループ内に配置された第１のインダクタ、第１のジョセフソン接合および共通インダクタを有する第１の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と、
第２の超伝導ループ内に配置された前記共通インダクタと、第２のジョセフソン接合と、第２のインダクタとを有する第２のＳＱＵＩＤと、
共通ノードに結合された第１の端子であって、前記共通ノードは、前記共通インダクタの第１の端部、前記第１のジョセフソン接合の第１の端部、および前記第２のジョセフソン接合の第１の端部に接続されている、前記第１の端子と、
前記第１のジョセフソン接合の第２の端部および前記第１のインダクタの第１の端部に結合された第２の端子と、
前記第２のジョセフソン接合の第２の端部および前記第２のインダクタの第１の端部に結合された第３の端子と、
前記共通インダクタに誘導的に結合された共通バイアスインダクタを含むコモンモード磁束バイアスラインと、
前記第１のインダクタに誘導的に結合された第１の差動バイアスインダクタと、前記第２のインダクタに誘導的に結合された第２の差動バイアスインダクタとを有する差動モード磁束バイアスラインと
を備える超伝導スイッチ。
前記コモンモード磁束バイアスラインおよび前記差動モード磁束バイアスラインを通って印加される電流の量と、前記コモンモード磁束バイアスラインおよび前記差動モード磁束バイアスラインのうちの一方を流れる電流の極性が、前記第１および第２のＳＱＵＩＤのうちの一方におけるほぼゼロの正味の磁束と、前記第１および第２のＳＱＵＩＤのうちの他方における磁束量子の半分の実質的な部分の磁束とを提供して、前記第１の端子および前記第２の端子と、前記第１の端子および前記第３の端子とのうちの一方を介した信号の選択的な転送を生じさせる、請求項１６に記載のスイッチ。
前記第１の端子と前記共通ノードとの間に結合された第１の結合キャパシタと、前記第２の端子と前記第１のＳＱＵＩＤとの間に結合された第２の結合キャパシタと、前記第３の端子と前記第２のＳＱＵＩＤとの間に結合された第３の結合キャパシタとを更に備え、前記第１、第２および第３の結合キャパシタは、前記第１および第２のＳＱＵＩＤに流れる電流が前記システムの他の部分の流れからは分離されることを保証する、請求項１６に記載のシステム。