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KR20200105510A - 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플링 - Google Patents

푸쉬-풀 튜닝가능한 커플링 Download PDF

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Publication number
KR20200105510A
KR20200105510A KR1020207022769A KR20207022769A KR20200105510A KR 20200105510 A KR20200105510 A KR 20200105510A KR 1020207022769 A KR1020207022769 A KR 1020207022769A KR 20207022769 A KR20207022769 A KR 20207022769A KR 20200105510 A KR20200105510 A KR 20200105510A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
coupler
push
synthetic
superconducting
coupling
Prior art date
Application number
KR1020207022769A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102401674B1 (ko
Inventor
제커리 카일 케인
제임스 알. 메드포드
Original Assignee
노스롭 그루먼 시스템즈 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 노스롭 그루먼 시스템즈 코포레이션 filed Critical 노스롭 그루먼 시스템즈 코포레이션
Publication of KR20200105510A publication Critical patent/KR20200105510A/ko
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Publication of KR102401674B1 publication Critical patent/KR102401674B1/ko

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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/92—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of superconductive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00—Networks using active elements
    • H03H11/02—Multiple-port networks
    • H03H11/04—Frequency selective two-port networks

Landscapes

  • Logic Circuits (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러는 푸쉬 트랜스포머, 풀 트랜스포머, 및 상위 및 하위 분기들에 배치되는 2개의 합성 조셉슨 정션들을 포함한다. 바이어싱 없이, 분기들 간의 전류의 밸런싱된 푸쉬 및 풀은 제 1 오브젝트로부터의 전류가 루프 내에서 순환하고 제 2 오브젝트로 커플링되지 않도록 한다. 합성 조셉슨 정션들 중 적어도 하나의 바이어싱은 분기들에서 전류의 푸쉬 및 풀을 언밸런싱하여 제 1 및 제 2 오브젝트들을 커플링시킨다. 커플러는 오프 상태 부근에서 차동-모드 잡음에 대한 민감도를 감소시키고, 공통-모드 잡음에 완전하게 불민감하며, 합성 조셉슨 정션들의 적절한 상대적인 바이어싱을 통해 커플링된 신호를 반전시킬 수 있다.

Description

푸쉬-풀 튜닝가능한 커플링
본 발명은 일반적으로 초전도 회로들에 관한 것이며, 보다 상세하게는 양자 오브젝트들의 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플링에 관한 것이다.
본 출원은 출원번호가 15/868,607이고, 출원일이 2018년 1월 11일인 미국특허출원(2018년 12월 18일자로 미국특허번호 제10,158,343호가 부여됨)에 대한 우선권을 주장하며, 상기 미국특허출원은 전체로서 본 명세서에 통합된다.
종래의 마이크로파 기계적, 전자-기계적 및 전자적 스위치들은, 호환성이 없는 제조 공정들 및 높은-전력 손실로 인하여, 초전도 전자 회로들 및 초전도 전자 회로들의 극저온 동작을 갖는 온-칩 집적(on-chip integration)과 호환되지 않을 수 있다. 마찬가지로, 전압-가변 커패시터들(즉, 버랙터(varactor)들), 기계적 드라이버들, 또는 강유전성 및 페라이트 재료들과 같은 액티브 컴포넌트들의 사용에 의해 통상적으로 구현되는 튜닝가능한 필터들은 단일 플럭스 양자(SFQ: single flux quantum) 기술들을 이용하여 생성될 수 있는 신호 레벨들에 의해 쉽게 제어가능하지 않으며, 다수는 극저온에서 동작가능하지 않다. 고정형 및 튜닝가능형 양쪽 모두의 초전도 마이크로파 필터들은 이전에 고온 및 저온 초전도체들 모두를 사용하여 구현되었으며, 스위칭 애플리케이션들에서의 이들의 사용은 높은 리턴 손실, 제한된 사용가능한 대역폭 및 불충분한 대역외 오프-상태 분리를 겪게 된다.
특정한 초전도 상황에서, 오브젝트들 간의 커플링을 턴 온(turn on)함으로써 오브젝트들 사이에서 정보를 교환하거나, 또는 이러한 커플링을 턴 오프(turn off)함으로써 오브젝트들을 분리시키기 위해 커플러가 제공될 수 있다. 튜닝가능한 커플러는 하나 이상의 가변 제어 신호들의 제공에 의해 2개의 오브젝트들 간의, 즉, 순수한 "온(on)"(커플링된) 및 순수한 "오프(off)"(언커플링된) 사이의 신호 커플링 정도를 제어하는 커플러이다.
본 개시 내용은, 특히 튜닝가능한 인덕턴스를 통합시키는 유도성 전류 디바이더로서 구현되는 튜닝가능한 커플러와 비교하여, 광역 플럭스 오프셋(offset)들 및 제어 라인들 상의 작은 섭동(perturbation)들 모두에 대하여 상대적으로 불민감(insensitive)한 튜닝가능한 초전도 커플러를 제공한다.
일례에서, 초전도 푸쉬-풀(push-pull) 튜닝가능한 커플러 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 푸쉬 트랜스포머, 풀 트랜스포머, 및 제 1 및 제 2 합성 조셉슨 정션(compound Josephson junction)들을 포함하는 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러를 포함한다. 제 1 및 제 2 오브젝트(object)들은 각각 커플러의 제 1 및 제 2 포트들로 연결된다. 적어도 하나의 바이어스(bias) 엘리먼트는 커플러 트랜스포머들의 푸쉬 및 풀을 언밸런싱(unbalance)하기 위해 제 1 또는 제 2 합성 조셉슨 정션 중 적어도 하나를 바이어싱하도록 구성된다. 커플러는 트랜스포머들 간의 밸런스가 차동 모드(differential mode)를 확립(establish)하고 트랜스포머들 간의 언밸런스가 공통 모드(common mode)를 확립하도록 구성되며, 차동 모드에서 제 1 및 제 2 오브젝트들은 신호들이 상기 오브젝트들 사이에서 오고가는 것을 방지하도록 언커플링(uncoupled)되고, 공통 모드에서 상기 오브젝트들은 상기 오브젝트들 사이에서 신호들이 오고가도록 커플링된다.
다른 예에서, 2개의 오브젝트들을 튜닝가능하게 커플링 또는 언커플링시키는 방법이 제공된다. 제 1 오브젝트로부터의 신호는 2개의 초전도 분기(branch)들로 분할된다. 상기 신호의 각각의 분기는 각각의 합성 조셉슨 정션으로 트랜스포머-커플링(transformer-coupling)된다. 적어도 제 1 제어 신호가 합성 조셉슨 정션들 중 적어도 하나를 바이어싱하도록 인가(apply)되며, 그에 의해 커플링 신호를 통해 상기 오브젝트들 간의 정보 교환을 허용함으로써 제 1 오브젝트를 제 2 오브젝트와 커플링시킨다.
또다른 예는 초전도 부하-보상(load-compensated) 튜닝가능한 커플러를 제공한다. 상기 커플러는 스플릿 인덕터(split inductor)를 가지며, 스플릿 인덕터는 스플릿 인덕터의 단부들 사이에 위치되는 입력 노드에서 제 1 오브젝트로부터 입력 신호를 수신하고, 스플릿 인덕터의 각각의 단부는 저-전압 레일(rail)(예를 들어, 그라운드(ground))로 연결된다. 상기 커플러는 상위(upper) 및 하위(lower) 분기들로 분할된다. 상위 분기는 스플릿 인덕터의 상위 부분 및 제 2 인덕터를 포함하는 제 1 플럭스 트랜스포머를 포함하며, 제 2 인덕터는 스플릿 인덕터의 상위 부분과 트랜스포머-커플링되고, 저-전압 레일 및 상위-중간 노드 사이에 연결되며, 저-전압 레일로의 제 1 플럭스 트랜스포머의 연결들의 구성은 제 1 플럭스 트랜스포머로 제 1 극성을 제공한다. 상위 분기는 상위-중간 노드 및 출력 노드 사이에 연결되는 제 1 합성 조셉슨 정션을 더 포함한다. 하위 분기는 스플릿 인덕터의 하위 부분 및 제 3 인덕터를 포함하는 제 2 플럭스 트랜스포머를 포함하며, 제 3 인덕터는 스플릿 인덕터의 하위 부분과 트랜스포머-커플링되고, 저-전압 레일 및 하위-중간 노드 사이에 연결되며, 저-전압 레일로의 제 2 플럭스 트랜스포머의 연결들의 구성은 제 2 플럭스 트랜스포머로 제 1 극성과 반대인 제 2 극성을 제공한다. 하위 분기는 하위-중간 노드 및 출력 노드 사이에 연결되는 제 2 합성 조셉슨 정션을 더 포함한다.
도 1은 예시적인 초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러의 블록 다이어그램이다.
도 2a는 예시적인 초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러의 도식적인 다이어그램이다.
도 2b 및 2c는 플럭스 바이어스 라인을 합성 조셉슨 정션으로 트랜스포머 커플링하는 예들을 도시한다.
도 3은 도 2a의 예시적인 회로의 시뮬레이션 도식도이다.
도 4a 및 4b는 도 3의 회로의 예시적인 시뮬레이션의 제어 및 출력 전류들의 그래프들을 각각 나타낸다.
도 5a 및 5b는 도 3의 회로의 다른 예시적인 시뮬레이션의 제어 및 출력 전류들의 그래프들을 각각 나타낸다.
도 6a 및 6b는 도 3의 회로의 또다른 예시적인 시뮬레이션의 제어 및 출력 전류들의 그래프들을 각각 나타낸다.
도 7은 2개의 양자 오브젝트들을 커플링시키는 예시적인 방법을 나타내는 플로우차트이다.
본 개시 내용은 일반적으로 초전도 회로들에 관한 것이며, 보다 상세하게는 2개의 오브젝트들 간의 초전도 푸쉬-풀 커플러에 관한 것이다. 여기에서 설명되는 푸쉬-풀 커플러는, 예를 들어, 병렬로 연결되는 한 쌍의 매칭된 합성 조셉슨 정션들 또는 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID: superconducting quantum interference device) 루프들로 구성될 수 있다. 각각의 합성 조셉슨 정션 또는 SQUID 루프는 신호 소스로의 상호 유도 커플링에 의해 구동된다. 그에 의해 제공되는 튜닝가능한 커플러는 제로 커플링 주변의 급격한 튜닝 곡선의 단점을 피하도록 하며, 이는 잡음있는 제어 라인들에서 조차도 오프 상태의 보존을 보다 용이하게 한다. 구체적으로, 여기에서 설명되는 튜닝가능한 커플러는 플럭스 잡음에 일-차(first-order) 불민감함으로써 그리고 오프 상태에서 임의의 공통-모드 플럭스에 불민감함으로써 자신의 오프 상태를 유지한다.
도 1은 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템(100)을 도시하며, 여기에서 2개의 오브젝트들(104, 106)은 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러(102)를 통해 제어가능하게 커플링되고 그리고 커플링-해제(decouple)될 수 있다. 각각의 커플링된 오브젝트(104, 106)는 예컨대 양자 오브젝트(quantum object), 예를 들어, 큐비트(qubit), 또는 소정의 공진 오브젝트(resonant object), 예를 들어, (액티브 디바이스인, 조셉슨 전송 라인(JTL)을 포함하지 않는) 특정 길이 및 임피던스의 전송 라인일 수 있다. 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템(100)은 양자 오브젝트들(예를 들어, 큐비트들, 공진기들) 간의 커플링 및 커플링-해제를 제공하기 위해 다양한 초전도 회로 시스템들 중 임의의 시스템으로 구현될 수 있다. 커플링된 오브젝트들 간에 교환되는 신호들은, 예를 들어, 큐비트 상에서 게이트 또는 리드아웃(readout) 동작을 수행하는 것과 같은, 양자 회로에 대한 제어 방식으로 구현되는 마이크로파 신호들일 수 있다. 다른 예로서, 신호들은 신호 펄스, 통신 신호 또는 제어 명령 신호일 수 있다. 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템(100)은 극저온(cryogenic temperature)들에서 동작할 수 있고, 실질적으로 전력 손실이 없을 수 있으며, 단일 플럭스 양자(SFQ) 호환 신호들을 통해 제어될 수 있다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어들 "커플링 전류" 또는 "커플링 신호들"은 커플러가 "온" 상태에 있을 때 하나의 커플링된 오브젝트와 다른 오브젝트 사이에 교환되는 전류 또는 신호들을 의미한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템(100)은 푸쉬 트랜스포머(108), 풀 트랜스포머(110), 제 1 합성 조셉슨 정션(112) 및 제 2 합성 조셉슨 정션(112)을 가지는 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러(102)를 포함한다. 제 1 오브젝트(104)는 커플러(102)의 제 1 포트로 연결될 수 있고 제 2 오브젝트는 커플러(102)의 제 2 포트로 연결될 수 있다. 이러한 포트들이 논의의 단순화를 위해 도 1에서 공칭적으로 "IN" 및 "OUT"으로 라벨링되어 있더라도, 커플링된 오브젝트들 간의 신호들의 전송 또는 정보의 교환은 양방향적일 수 있다. 일례로서, 커플러(102)는 자신의 트랜스포머들(108, 100) 및 합성 조셉슨 정션들(112, 114)을 상위 및 하위 분기들로서 배치할 수 있다. 예를 들어, 제 1 포트는 제 1 오브젝트로부터의 신호들을 스플릿 인덕터 사이에서 분기시킬 수 있으며, 스플릿 인덕터의 하나의 부분은 푸쉬 트랜스포머의 일부를 형성하고 스플릿 인덕터의 다른 부분은 풀 트랜스포머의 일부를 형성한다.
하나 이상의 바이어스 엘리먼트들(116)은 커플러 트랜스포머들의 푸쉬 및 풀을 언밸런싱하기 위해 제 1 또는 제 2 합성 조셉슨 정션 중 하나 또는 이들 모두를 바이어싱할 수 있다. 예를 들어, 바이어스 엘리먼트들 중 하나 이상은 커플러(102)의 일부로, 예를 들어, 합성 조셉슨 정션들(112, 114) 중 하나로 트랜스포머-커플링된 플럭스 바이어스 라인을 포함할 수 있다. 예를 들어, 조셉슨 정션들의 인덕턴스는 오브젝트들을 서로에 대하여 커플링시키고 커플링된 오브젝트들 사이에서 신호들이 오고가게 하기 위한 낮은 인덕턴스 상태 및 오브젝트들을 서로에 대하여 커플링-해제시키고 커플링-해제된 오브젝트들 사이에서 신호들이 오고가는 것을 막기 위한 높은 인덕턴스 상태 사이에서 스위칭될 수 있다.
트랜스포머들(108, 110)(및/또는 분기들) 사이의 관계는 하나의 트랜스포머가 오브젝트(104)로부터 전류를 "푸쉬"하는 동안 다른 트랜스포머가 전류를 "풀"하도록 이루어질 수 있다. 커플러(102)는 트랜스포머들(108, 110)의 "푸쉬" 및 "풀" 간의 밸런스가 차동 모드를 확립할 수 있도록 그리고 트랜스포머들(108, 110)의 "푸쉬" 및 "풀" 간의 언밸런스가 공통 모드를 확립할 수 있도록 구성될 수 있으며, 차동 모드에서 제 1 및 제 2 오브젝트들(104, 106)은 신호들이 오브젝트들(104, 106) 사이에서 오고가는 것을 방지하도록 언커플링되고, 공통 모드에서 오브젝트들은 오브젝트들 사이에서 신호들이 오고가도록 커플링된다.
커플러 제어기(118)는 반대(opposing) 인덕턴스 상태들 사이에서 합성 조셉슨 정션들을 변경하고 그에 의해 커플러(102)를 다양한 정도(degree)들로 밸런싱 또는 언밸런싱함으로써, 차동 모드 및 공통 모드 사이에서, 또는 "오프" 상태 및 다양한 정도들의 "온" 상태 사이에서 커플러(102)의 설정(setting)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 커플러 제어기(118)는 차동 모드 및 공통 모드 사이에서 커플러(102)를 교번(alternate)시키도록 적어도 하나의 바이어스 엘리먼트(116)를 통해, 예를 들어, 제 1 및 제 2 합성 조셉슨 정션들(112, 114) 중 적어도 하나로 유도적으로 커플링되는 적어도 하나의 플럭스 바이어스 제어 라인을 통해 제어 전류의 극성 및 양을 제어할 수 있다. 예를 들어, 하나의 바이어스 엘리먼트(116)를 통해 제공되는 하나의 제어 전류가 상이한 바이어스 엘리먼트(116)를 통해 제공되는 다른 제어 전류보다 큰 경우에, 커플러(102)는 또한 2개의 오브젝트들(104, 106) 사이의 커플링 전류 또는 커플링 신호를 반전(invert)시키도록 구성될 수 있다.
도 2a는 예시적인 튜닝가능한 양방향 커플러 회로(200)의 도식적인 다이어그램이다. 도시된 예에서, 상위-분기 합성 조셉슨 정션(204)은 제 1 조셉슨 정션(J1) 및 제 2 조셉슨 정션(J2)을 포함하고, 하위-분기 합성 조셉슨 정션(206)은 제 3 조셉슨 정션(J3) 및 제 4 조셉슨 정션(J4)을 포함한다. 커플링된 오브젝트 1로부터의 전류는 스플릿 인덕터 L1, L3를 구동시킨다. 스플릿 인덕터의 각각의 분기는, 각각의 플럭스 트랜스포머 -M, +M을 통해서, 합성 조셉슨 정션들(204, 206)의 쌍으로 커플링된다. 2개의 플럭스 트랜스포머들의 상호 인덕턴스들은 동일하고 반대 부호(sign)를 가지도록 구성된다. 커플러(200)의 성능은 조셥슨 정션들이 서로에 대하여 잘-매칭될 때 향상되지만, 이러한 설계는 컴포넌트 미스매치(mismatch)들을 통해 적절하게 저하된다. 그리하여, 몇몇 예들에서, 모든 4개의 조셉슨 정션들 J1, J2, J3, J4는 실질적으로 크기가 동일하며, 예를 들어, 크기에 있어 서로에 대하여 10% 이내에 예컨대 크기에 있어 서로에 대하여 5% 이내에 있다.
하나 또는 양쪽 모두의 합성 조셉슨 정션들을 바이어싱하기 위해 하나 이상의 제어 신호들은 플러스 바이어스 라인들로서 도 2a의 회로로 제공될 수 있다. 단순화를 위해, 도시된 바와 같이, 도 2a는 임의의 플럭스 바이어스 라인들을 생략하였다. 그러나, 도 2b 및 2c 각각은, 플럭스 바이어스 라인 또는 제어 라인(208)으로 조셉슨 정션들 JA 및 JB를 포함하는 합성 조셉슨 정션 루프(210)로 트랜스포머-커플링된 하나 이상의 인덕터들을 제공함으로써, 어떻게 플럭스 바이어스 라인이 합성 조셉슨 정션으로 제공될 수 있는지에 대한 예시들을 보여주며, 여기서 조셉슨 정션들 JA 및 JB은 각각 도 2a에 있는 J1 및 J2에 대응하거나 또는 J3 및 J4에 대응할 수 있다.
트랜스포머들 -M, +M은 부호가 반대이기 때문에, 하나가 "푸쉬"하고 있는 동안 다른 하나는 "풀"하고 있다고 말할 수 있다. "푸쉬" 및 "풀"이 밸런싱될 때, -M 트랜스포머의 상부 및 +M 트랜스포머의 상부에 유도된 전압들은 동일하고 반대이며, 그리하여 커플링된 오브젝트 2의 입력에 전압이 나타나지 않으며, 전류는 단지 커플러 자체 내의 루프에서 흐르게 되고 2개의 오브젝트들 사이에 커플링이 유도되지 않는다. 다른 방식으로 서술하면, 합성 조셉슨 정션들(204, 206)이 동등하게 바이어싱되면(또는 둘 다 바이어싱되지 않으면), 이들의 조셉슨 인덕턴스들은 또한 동일하고, 동일하고 반대의 전류들이 커플러의 상위 및 하위 분기들로 유도된다. 그리하여, 또한 순환 모드로도 지칭될 수 있는, 차동 모드에서 모든 전류가 흐르며, 커플링된 오브젝트 2로 전류가 커플링되지 않는다. 이러한 모드에서, 하나의 트랜스포머의 푸쉬는 다른 트랜스포머의 "풀"과 동일하다.
대조적으로, 하나의 루프 또는 다른 루프를 바이어싱함으로써, 어느 하나의 부호의 공통-모드 커플링이 생성될 수 있으며, 이는 커플링된 오브젝트 1 및 커플링된 오브젝트 2 사이에 순 커플링(net coupling)을 제공한다. 예를 들어, 상위-분기 합성 조셉슨 정션(204)이 자신의 조셉슨 인덕턴스를 증가시키도록 바이어싱되면, 분기 전류들은 더 이상 동일하지 않으며 하위 분기로부터의 순 전류는 커플링된 오브젝트 2로 흐르며, 이는 커플링된 오브젝트 1 및 커플링된 오브젝트 2 사이에 포지티브(positive) 커플링을 제공한다. 마찬가지로, 하위-분기 합성 조셉슨 정션(206)이 자신의 조셉슨 인덕턴스를 증가시키도록 바이어싱되면, 상위 분기로부터의 순 전류는 커플링된 오브젝트 2로 흐르며, 이는 커플링된 오브젝트 1 및 커플링된 오브젝트 2 사이에 네거티브(negative) 커플링을 제공한다. 이러한 네거티브 커플링은 커플러(200)가 또한 신호 인버터로서 동작할 수 있음을 의미한다.
도 3은 시뮬레이션 이용, 예를 들어, 애질런트 어드밴스트 디자인 시뮬레이션(ADS: Agilent's Advanced Design Simulation) 툴에서 이용될 수 있는, 도 2a의 커플러(200)의 도식도(schematic)(300)를 도시한다. SRC3(302)은, 예를 들어, 양자 오브젝트로부터 제공되는 신호의 시뮬레이션에서, AC 신호를 커플러로 제공한다. SRC4(304)는 포지티브 커플링을 유도하는 바이어스 전류를 제공하고, SRC2(306)는 네거티브 커플링을 유도하는 바이어스 전류를 제공한다. 이러한 바이어스 전류들은 또한 여기에서 제어 전류들로 지칭된다. 아래에서 설명되는 시뮬레이션 예시들에서, 이러한 제어 전류들은 피스와이즈(piecewise) 선형 DC 전류들로서 제공되도록 프로그래밍된다.
도 4b는 도 4a의 제어 전류들이 제공되는 도 3의 회로의 시뮬레이션 출력을 나타낸다. 출력 전류는 도 3의 I_Probe1(308)에서 측정된다. 도 4a는 동일한 그래프 상에 중첩되는 2개의 제어 전류들을 나타낸다. 제로-출력 전류는 언커플링을 나타내고 넌-제로(nonzero) 출력 전류는 입력 및 출력 사이의 커플링을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, SRC3(302)은 도 2a의 커플링된 오브젝트 1로부터 제공될 신호의 시뮬레이션에서 5 기가헤르츠 신호를 제공하도록 구성된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, I_Probe2.i로 라벨링되는, 예를 들어, 도 3의 SRC2(306)으로부터, 상위-분기 합성 조셉슨 정션으로 제공되는 제 1 제어 전류는 1 나노세컨드에서 시작하여 2 나노세컨드까지 10 마이크로암페어에서 피크(peak)가 되도록 턴 온되고, 그 다음에 3 나노세컨드에서 시작하여 4 나노세컨드까지 0 마이크로암페어로 되돌아가도록 턴 오프된다. 후속적으로, I_Probe3.i로 라벨링되는, 예를 들어, 도 3의 SRC4(304)로부터, 하위-분기 합성 조셉슨 정션으로 제공되는 제 2 제어 전류는 4 나노세컨드에서 시작하여 5 나노세컨드까지 10 마이크로암페어에서 피크가 되도록 턴 온되고, 그 다음에 6 나노세컨드에서 시작하여 7 나노세컨드까지 0 마이크로암페어로 되돌아오도록 턴 오프된다.
이에 따라, 도 4b에 도시된 바와 같이, 커플링된 전류는 제 1 제어 전류의 턴 온 및 오프와 부합하게 상승 및 하강하며, 그 다음에 제 2 제어 전류의 턴 온 및 오프와 부합하게 위상을 반전시키고 상승 및 하강한다. 도 4b는 0 및 1 나노세컨드 사이에서 그리고 정확하게 4 나노세컨드에서 출력에서의 제로 전류를 보여주며, 이는 이러한 시간들 동안 양쪽 제어 전류들이 오프되는 것과 부합한다. 대조적으로, 하나의 제어 전류가 턴 온되어 있는 시간들 동안, 도 3의 SRC3(302)에 의해 제공되는 5 기가헤르츠 입력 AC 신호는 출력으로 통과하며, 이는 입력이 출력으로 커플링되었음을 나타낸다. 설계된 바와 같이, 커플러의 네거티브 절반(half)이 턴 오프되고 커플러의 포지티브 절반이 턴 온 될 때 커플링된 신호의 부호는 플립(flip)한다. 출력 신호의 이러한 인버전(inversion)은 4-나노세컨드 마크에서 출력 신호의 미러-이미지(즉, 커플링된 전류의 180-도 위상 시프트)로서 나타난다.
여기에서 설명되는 커플러는 제어 라인들 상의 플럭스 잡음에 일-차 불민감하며, 광역 플럭스 오프셋들을 강하게 억제한다. 도 5a-b 및 6a-b는 각각 이러한 속성들을 도시한다. 네거티브 커플러(즉, 도 2a의 상위-분기 합성 조셉슨 정션(204))로 첫번째로 적용되고 포지티브 커플러(즉, 도 2a의 하위-분기 합성 조셉슨 정션(206))로 두번째로 적용되는 제어 신호들을 도시하는 바와 같이, 도 5a는 도 4a와 동일하다. 도 5b는 이러한 동일한 세트의 제어 신호들에 대하여지만 20 기가헤르츠의 더 높은 입력 AC 주파수를 가지는 커플러의 응답을 도시하며, 이는 선형인 제어 전류에서의 램프(ramp)에도 불구하고 커플러의 턴-온이 이차식(quadratic)임을 하이라이트(highlight)하고 있다. 그리하여 도 5b는 제어 라인들 중 어느 하나에 대한 작은 신호 변화가 제어 라인들 중 어느 하나에 대한 큰 신호 변화보다는 출력의 진폭에 미치는 영향이 적음을 나타낸다. 이러한 커플러 속성은 커플러 "오프" 상태를 유지하는 것이 중요한 시나리오에서 제어-라인 잡음에 대한 면역성을 제공한다.
도 6a 및 6b는 광역 플럭스 오프셋들의 억제를 보여준다. 도 6a에 도시된 제공된 제어 신호들은 도 4a 및 5a에서의 제어 신호들과 상이하다. 도 6a에 도시된 바와 같이, I_Probe2.i로 라벨링되는, 예를 들어, 도 3의 SRC2(306)으로부터, 상위-분기 합성 조셉슨 정션으로 제공되는 제 1 제어 전류는 1 나노세컨드에서 시작하여 2 나노세컨드까지 10 마이크로암페어에서 피크가 되도록 턴 온되고, 그 다음에 3 나노세컨드에서 시작하여 5 나노세컨드까지 -10 마이크로암페어로 내려가도록 리버스(reverse)되고, 최종적으로 6 나노세컨드에서 시작하여 7 나노세컨드까지 0 마이크로암페어로 되돌아가도록 턴 오프된다. I_Probe3.i로 라벨링되는, 예를 들어, 도 3의 SRC4(304)으로부터, 하위-분기 합성 조셉슨 정션으로 제공되는 제 2 제어 전류는 7-나노세컨드 마크까지 동일한 피스와이즈 선형 패턴을 따르지만, 이 시점부터 제로에 맞추어지고 8 나노세컨드까지 10 마이크로암페어로 되돌아가고, 9 나노세컨드에서 시작하여 11 나노세컨드까지 -10 마이크로암페어로 네거티브 방향으로 향하며, 이 시점 후에 12 나노세컨드에서 턴 오프되어 13 나노세컨드까지 0 마이크로암페어로 되돌아가도록 프로그래밍된다. 도 6b에서의 결과적인 출력 전류는, 심지어 제어 전류들이 넌-제로인 경우라도, 2개의 제어 전류들이 동일한 시간 동안, 즉, 0 및 7 나노세컨드 사이의 시간 및 13 나노세컨드 이후의 시간 동안 모두 제로에서 유지된다. 도 3의 SRC3(302)에 의해 제공되는 20 기가헤르츠 입력 AC 신호가 출력으로 통과되는 것은 2개의 제어 신호들이 상이하고 적어도 하나가 넌-제로인 시간들 동안만이며, 이러한 출력으로의 통과는 입력이 출력으로 커플링되었음을 나타낸다. 그리하여 도 6a 및 6b는 나란히 있는 커플러의 합성 조셉슨 정션들 양쪽 모두를 튜닝하는 임의의 신호가 커플링을 생성하지 않음을 보여준다. 그에 따라, 커플러의 튜닝 제어는 공통-모드 잡음에 면역을 갖는다.
본 개시 내용의 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러는 적은 컴포넌트 개수 및 단순화되거나 또는 유연한 제어 아키텍처를 통하여 구성될 수 있다. 오프 상태 주변에서 차동-모드 잡음에 감소된 민감도를 가지는 것에 더하여, 본 개시 내용의 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러는 공통-모드 잡음에 완전하게 불민감하다. 이것은 또한 필요한 추가적인 컴포넌트들 없이 신호 인버전을 제공할 수 있다.
도 7은 2개의 오브젝트들을 튜닝가능하게 커플링 또는 언커플링시키는 방법(700)을 도시한다. 제 1 오브젝트로부터의 신호는 2개의 초전도 분기들로 분할된다(702). 신호의 각각의 분기는 각각의 합성 조셉슨 정션으로 트랜스포머-커플링된다(704). 합성 조셉슨 정션들 중 적어도 하나를 바이어싱하도록 적어도 제 1 제어 신호가 인가되며(706), 그에 의해 커플링 신호를 통해서 오브젝트들 간의 정보 교환을 허용함으로써 제 1 오브젝트를 제 2 오브젝트로 커플링시킨다(708). 제 1 제어 신호를 인가-해제(de-apply)함으로써(710) 또는 합성 조셉슨 정션들 중 다른 합성 조셉슨 정션(즉, 제 1 제어 신호에 의해 바이어싱된 합성 조셉슨 정션이 아닌 다른 합성 조셉슨 정션)을 바이어싱하도록 제 1 제어 신호와 크기(magnitude) 및 부호(sign)에서 동일한 제 2 제어 신호를 인가함으로써(712), 오브젝트들은 커플링-해제될 수 있다(714).
방법(700)에 더하여, 합성 조셉슨 정션들 중 다른 합성 조셉슨 정션(즉, 제 1 제어 신호에 의해 바이어싱된 합성 조셉슨 정션이 아닌 다른 합성 조셉슨 정션)을 바이어싱하도록 제 1 제어 신호보다 큰 제 2 제어 신호가 인가될 수 있으며, 그에 의해 커플링 신호를 반전시킬 수 있다. 추가적으로, 커플링 신호는 제어 신호의 선형 증가에 기초하여 이차식으로(quadratically) 증가될 수 있다.
위에서 설명된 내용들을 본 발명의 예시들이다. 물론, 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 컴포넌트들 및 방법들의 모든 착안가능한 조합들을 설명하는 것은 가능하지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 많은 추가적인 조합들 및 치환들이 가능함을 인식할 것이다. 이에 따라, 본 발명은, 첨부된 청구항들을 포함하는, 본 출원의 범위 내에 있는 모든 그러한 변경들, 수정들 및 변형들을 포함하도록 의도된다. 추가적으로, 본 개시 내용 또는 청구항들이 "하나의(a)", "하나의(an)", "제 1 (a first)" 또는 "다른(another)" 엘리먼트 및 이의 동등물을 인용하는 경우에, 이러한 엘리먼트의 하나 또는 그 이상을 포함하는 것으로 해석되어야 하며, 둘 또는 그 이상의 엘리먼트들을 요구하거나 또는 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포함하다(include)"는 포함하지만 그에 한정되지 않음을 의미하며, 용어 "포함하는(including)"은 포함하지만 그에 한정되지 않음을 의미한다. 용어 "기초하여(based on)"는 적어도 부분적으로 기초함을 의미한다.

Claims (20)

  1. 초전도 푸쉬-풀(push-pull) 튜닝가능한 커플러 시스템으로서,
    푸쉬 트랜스포머, 풀 트랜스포머, 및 제 1 및 제 2 합성 조셉슨 정션(compound Josephson junction)들을 포함하는 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러;
    상기 커플러의 제 1 포트로 연결되는 제 1 오브젝트(object);
    상기 커플러의 제 2 포트로 연결되는 제 2 오브젝트; 및
    상기 커플러 트랜스포머들의 푸쉬 및 풀을 언밸런싱(unbalance)하기 위해 상기 제 1 또는 제 2 합성 조셉슨 정션 중 적어도 하나를 바이어싱(bias)하도록 구성되는 적어도 하나의 바이어스 엘리먼트를 포함하며,
    상기 커플러는 상기 트랜스포머들 간의 밸런스가 차동 모드(differential mode)를 확립(establish)하고 상기 트랜스포머들 간의 언밸런스가 공통 모드(common mode)를 확립하도록 구성되며,
    상기 차동 모드에서 상기 제 1 및 제 2 오브젝트들은 신호들이 상기 오브젝트들 사이에서 오고가는 것을 방지하도록 언커플링(uncoupled)되고, 상기 공통 모드에서 상기 오브젝트들은 상기 오브젝트들 사이에서 신호들이 오고가도록 커플링되는,
    초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    반대(opposing) 인덕턴스 상태들 사이에서 상기 합성 조셉슨 정션들을 변경하고 그에 의해 상기 커플러를 밸런싱 또는 언밸런싱함으로써 상기 차동 모드 및 상기 공통 모드 사이에서 상기 커플러의 설정(setting)을 제어하도록 구성되는 커플러 제어기를 더 포함하는,
    초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 커플러 제어기는 상기 차동 모드 및 상기 공통 모드 사이에서 상기 커플러를 교번(alternate)시키도록 상기 제 1 및 제 2 합성 조셉슨 정션들 중 적어도 하나로 유도적으로 커플링되는 적어도 하나의 플럭스(flux) 바이어스 제어 라인을 통해 전류의 극성 및 양을 제어하는,
    초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 포트는 상기 제 1 오브젝트로부터의 신호들을 스플릿 인덕터(split inductor) 사이에서 분기(branch)시키며, 상기 푸시 트랜스포머는 상기 스플릿 인덕터의 제 1 부분을 포함하고, 상기 풀 트랜스포머는 상기 스플릿 인덕터의 제 2 부분을 포함하는,
    초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 합성 조셉슨 정션들은 상기 제 2 포트에 연결되는,
    초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플러는 상기 커플러의 커플링 전류가 제어 전류의 선형 증가를 통해 이차식으로(quadratically) 증가하도록 구성되는,
    초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 합성 조셉슨 정션을 바이어싱하도록 제 1 플럭스 바이어스 전류를 제공하도록 구성되는 제 1 바이어스 엘리먼트 및 상기 제 2 합성 조셉슨 정션을 바이어싱하도록 제 2 플럭스 바이어스 전류를 제공하도록 구성되는 제 2 바이어스 엘리먼트를 포함하는,
    초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 커플러는 상기 제 1 및 제 2 바이어스 전류들에 있는 공통-모드 잡음에 불민감(insensitive)하도록 구성되는,
    초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 차동 모드 및 상기 공통 모드 사이에서 상기 커플러를 교번시키도록 상기 제 1 플럭스 바이어스 전류의 극성 및 양과 상기 제 2 플럭스 바이어스 전류의 극성 및 양을 제어하도록 구성되는 커플러 제어기를 더 포함하는,
    초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 커플러는 상기 제 2 플럭스 바이어스 전류보다 큰 상기 제 1 플럭스 바이어스 전류에 기초하여 커플링 전류를 반전(invert)시키도록 구성되는,
    초전도 푸쉬-풀 튜닝가능한 커플러 시스템.
  11. 2개의 오브젝트들을 튜닝가능하게 커플링 또는 언커플링시키는 방법으로서,
    제 1 오브젝트로부터의 신호를 2개의 초전도 분기들로 분할하는 단계;
    상기 신호의 각각의 분기를 각각의 합성 조셉슨 정션으로 트랜스포머-커플링(transformer-coupling)시키는 단계; 및
    합성 조셉슨 정션들 중 적어도 하나를 바이어싱하도록 적어도 제 1 제어 신호를 인가(apply)하고, 그에 의해 커플링 신호를 통해 상기 오브젝트들 간의 정보 교환을 허용함으로써 상기 제 1 오브젝트를 제 2 오브젝트와 커플링시키는 단계를 포함하는,
    2개의 오브젝트들을 튜닝가능하게 커플링 또는 언커플링시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 제어 신호를 인가-해제(de-apply)하여, 그에 의해 상기 제 1 오브젝트를 상기 제 2 오브젝트로부터 커플링-해제(decouple)시키는 단계를 더 포함하는,
    2개의 오브젝트들을 튜닝가능하게 커플링 또는 언커플링시키는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 제어 신호에 의해 바이어싱된 합성 조셉슨 정션이 아닌 상기 합성 조셉슨 정션들 중 다른 하나를 바이어싱하도록 상기 제 1 제어 신호와 크기(magnitude) 및 부호(sign)에서 동일한 제 2 제어 신호를 인가하여, 그에 의해 상기 제 1 오브젝트를 상기 제 2 오브젝트로부터 커플링-해제시키는 단계를 더 포함하는,
    2개의 오브젝트들을 튜닝가능하게 커플링 또는 언커플링시키는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 제어 신호에 의해 바이어싱된 합성 조셉슨 정션이 아닌 상기 합성 조셉슨 정션들 중 다른 하나를 바이어싱하도록 상기 제 1 제어 신호보다 큰 제 2 제어 신호를 인가하여, 그에 의해 상기 커플링 신호를 반전시키는 단계를 더 포함하는,
    2개의 오브젝트들을 튜닝가능하게 커플링 또는 언커플링시키는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어 신호의 선형 증가에 기초하여 상기 커플링 신호를 이차식으로 증가시키는 단계를 더 포함하는,
    2개의 오브젝트들을 튜닝가능하게 커플링 또는 언커플링시키는 방법.
  16. 초전도 부하-보상(load-compensated) 튜닝가능한 커플러로서,
    스플릿 인덕터;
    상위 분기(upper branch); 및
    하위 분기(lower branch)를 포함하며,
    상기 스플릿 인덕터는 상기 스플릿 인덕터의 단부들 사이에 위치되는 입력 노드에서 제 1 오브젝트로부터 입력 신호를 수신하고, 상기 스플릿 인덕터의 각각의 단부는 저-전압 레일(rail)로 연결되고,
    상기 상위 분기는,
    상기 스플릿 인덕터의 상위 부분 및 제 2 인덕터를 포함하는 제 1 플럭스 트랜스포머 ― 상기 제 2 인덕터는 상기 스플릿 인덕터의 상기 상위 부분과 트랜스포머-커플링되고, 상기 저-전압 레일 및 상위-중간 노드 사이에 연결되며, 상기 저-전압 레일로의 상기 제 1 플럭스 트랜스포머의 연결들의 구성은 상기 제 1 플럭스 트랜스포머로 제 1 극성을 제공함 ―; 및
    상기 상위-중간 노드 및 출력 노드 사이에 연결되는 제 1 합성 조셉슨 정션을 포함하고,
    상기 하위 분기는,
    상기 스플릿 인덕터의 하위 부분 및 제 3 인덕터를 포함하는 제 2 플럭스 트랜스포머 ― 상기 제 3 인덕터는 상기 스플릿 인덕터의 상기 하위 부분과 트랜스포머-커플링되고, 상기 저-전압 레일 및 하위-중간 노드 사이에 연결되며, 상기 저-전압 레일로의 상기 제 2 플럭스 트랜스포머의 연결들의 구성은 상기 제 2 플럭스 트랜스포머로 상기 제 1 극성과 반대인 제 2 극성을 제공함 ―; 및
    상기 하위-중간 노드 및 출력 노드 사이에 연결되는 제 2 합성 조셉슨 정션을 포함하는,
    초전도 부하-보상 튜닝가능한 커플러.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 합성 조셉슨 정션들 각각은 병렬로 2개의 조셉슨 정션들을 포함하는,
    초전도 부하-보상 튜닝가능한 커플러.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 합성 조셉슨 정션들 각각은 각각의 플럭스 바이어스 라인으로 트랜스포머-커플링된 적어도 하나의 인덕터를 더 포함하는,
    초전도 부하-보상 튜닝가능한 커플러.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 커플러는 양쪽 합성 조셉슨 정션들의 각각의 플럭스 바이어스 라인에 동등하게 영향을 주는 공통-모드 잡음에 완전하게 불민감한,
    초전도 부하-보상 튜닝가능한 커플러.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 조셉슨 정션들 모두는 실질적으로 크기가 동일한,
    초전도 부하-보상 튜닝가능한 커플러.
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