JP6941166B2 - マイクロ波検出デバイス、マイクロ波検出デバイスを形成する方法、マイクロ波光子を検出する方法、およびマイクロ波光子の不在を検出する方法 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導電子デバイスに関し、より詳細には、量子非破壊光子検出器を使用した単一マイクロ波光子の高忠実度（high fidelity）閾値検出に関する。

先行技術では、光周波数領域においては、光電子倍増管、マイクロ波動的インダクタンス検出器、および超伝導ナノワイヤ単一光子検出器などの信頼性の高い単一光子検出器が、様々な実験および用途において広く使用される。しかしながら、これらのデバイスの１つの欠点は、これらデバイスが、検出する光子を破壊する（すなわち、吸収する）ことである。対照的に、マイクロ波領域、すなわち、ギガヘルツ（ＧＨｚ）範囲においては、信頼性が高くかつ実用的な単一光子検出器は、依然として研究および開発中である。

本発明は、量子非破壊光子検出器を使用した単一マイクロ波光子の高忠実度閾値検出を提供するマイクロ波検出デバイス関連の発明実施形態を提供する。

１つまたは複数の実施形態によると、マイクロ波検出デバイスが提供される。マイクロ波検出デバイスは、量子非破壊マイクロ波光子検出器と、量子非破壊マイクロ波光子検出器に接続された直交マイクロ波ハイブリッド結合器と、直交マイクロ波ハイブリッド結合器に結合された分散非線形素子(dispersive nonlinear element)とを含む。

１つまたは複数の実施形態によると、マイクロ波検出デバイスを形成する方法が提供される。本方法は、量子非破壊マイクロ波光子検出器を提供することと、量子非破壊マイクロ波光子検出器に接続された直交マイクロ波ハイブリッド結合器を提供することと、直交マイクロ波ハイブリッド結合器に結合された分散非線形素子を提供することとを含む。

１つまたは複数の実施形態によると、マイクロ波光子を検出する方法が提供される。本方法は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器により、量子非破壊マイクロ波デバイスから反射マイクロ波信号を受信することを含む。また、本方法は、電圧状態にある分散非線形素子に基づいてマイクロ波光子の存在を決定することを含む。分散非線形素子は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器に結合される。

１つまたは複数の実施形態によると、マイクロ波光子の不在を検出する方法が提供される。本方法は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器により、量子非破壊マイクロ波デバイスから反射マイクロ波信号を受信することを含む。また、本方法は、ゼロ電圧状態にある分散非線形素子に基づいてマイクロ波光子の不在を決定することを含む。分散非線形素子は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器に結合される。

実施形態において、直交マイクロ波ハイブリッド結合器は、４つのポートを備え、４つのポートのうちの１つが、量子非破壊マイクロ波光子検出器に結合され、４つのポートのうちの別のものが、分散非線形素子に結合される。

１つまたは複数の実施形態に従う、マイクロ波デバイスの概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、ポンプ・ポートによって見られる（または影響を受ける）場合のマイクロ波デバイスのポンプ等価回路の概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、量子信号ポートによって見られる場合のマイクロ波デバイスの信号等価回路の概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、システムの概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、光子の入力信号がないときの動作を描写するシステムの概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、光子の入力信号があるときの動作を描写するシステムの概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、原位置単一マイクロ波光子検出を描写するシステムの概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、原位置単一マイクロ波光子検出を描写するシステムの概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、入力信号光子なしを描写するシステムの概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、図９内の非破壊光子検出器の効果を特徴付けるグラフである。 １つまたは複数の実施形態に従う、入力信号光子の受信を描写するシステムの概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、図１１内の非破壊光子検出器の効果を特徴付けるグラフである。 １つまたは複数の実施形態に従う、直交マイクロ波ハイブリッド結合器内の波干渉の利用を描写するシステムの概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、直交マイクロ波ハイブリッド結合器内の波干渉の利用を描写するシステムの概略図である。 １つまたは複数の実施形態に従う、閾値検出マイクロ波検出デバイスを形成する方法のフローチャートである。 １つまたは複数の実施形態に従う、マイクロ波光子を検出する方法のフローチャートである。 １つまたは複数の実施形態に従う、マイクロ波光子の不在を検出する方法のフローチャートである。

様々な実施形態は、関連した図面を参照して本明細書内に説明される。代替的な実施形態が、本文書の範囲から逸脱することなく考案され得る。素子同士の様々な接続および位置関係（例えば、上、下、隣接してなど）が、以下の説明および図面において明記されることに留意されたい。これらの接続または位置関係あるいはその両方は、別途記載のない限り、直接的または間接的であり得、この点で制限することは意図されない。したがって、エンティティの結合は、直接的または間接的な結合を指すことができ、エンティティ間の位置関係は、直接的または間接的な位置関係であり得る。間接的な位置関係の例として、層「Ａ」を層「Ｂ」の上に形成することへの言及は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連する特徴および機能性が中間層によって著しく変更されない限りは、１つまたは複数の中間層（例えば、層「Ｃ」）が層「Ａ」と層「Ｂ」の間にある状況を含む。

光子は、素粒子であり、これは、電磁放射のすべての他の形態と共に光の量子である。光子は、放射周波数に比例してエネルギーを運び、ゼロ静止質量を有する。単一マイクロ波光子の検出が困難である理由の１つは、単一マイクロ波光子のエネルギーが非常に小さいことである。マイクロ波領域内、例えば、範囲１〜１０ギガヘルツ（ＧＨｚ）内の光子のエネルギーは、可視光光子のエネルギーより少なくとも１０^４倍小さい。

回路量子電磁力学（ｃＱＥＤ）は、超伝導マイクロ波回路に基づいて量子コンピュータを実現するための主要なアーキテクチャの１つである。それは、マイクロ波共鳴器に分散的に結合される、すなわち、キュービットおよび共鳴器の周波数が離調される、キュービットと呼ばれる非線形超伝導デバイスからできた人工原子を採用する。一例として、各超伝導キュービットは、１つまたは複数のジョセフソン接合を含むことができ、この接合は、接合と平行にあるコンデンサによって短絡される。キュービットは、２次元（２Ｄ）平面導波路共鳴器または３次元（３Ｄ）マイクロ波空洞に容量結合される。キュービットと関連付けられた電磁エネルギーは、ジョセフソン接合内、ならびにキュービットを形成する容量性および誘導性素子内に格納される。現在、主な焦点は、キュービットのデコヒーレンスに起因して情報が失われる前に計算（すなわち、操作および読み出し）が発生することを可能にするために、キュービットの寿命を向上させることであった。

ｃＱＥＤアーキテクチャ内のマイクロ波共鳴器に超伝導キュービットを分散的に結合することは、共鳴器を読み込み、その共鳴周波数をキュービットの量子状態に依存させる（すなわち、共鳴器の共鳴周波数は、キュービットが接地状態または励起状態にあるかによって異なる）。この特性は、少数の光子を有するマイクロ波信号を共鳴器周波数近くのｃＱＥＤに送信すること、およびキュービット状態に関する情報を伝える出力マイクロ波フィールドの振幅または位相あるいはその両方を測定することによって、キュービット状態の量子非破壊測定の性能を有効にする。したがって、マイクロ波領域内の実用的かつ信頼性の高い単一光子検出器の１つの潜在的な用途は、希釈冷凍機(dilution fridge)の内側でこの弱い出力信号を測定すること（すなわち、キュービット状態を検出すること）を、そのような測定を実施するために先行技術において典型的に使用される、高利得、低雑音、および高アイソレーション出力チェーンの使用を必要とすることなく、可能にすることである。

１つまたは複数の実施形態は、光子の不在または存在を検出するための非破壊閾値検出スキームを提供する。閾値検出光子検出器／システムは、クロス・カー効果(cross-Kerr effect)に基づく非破壊単一マイクロ波光子検出器、対称３ｄＢ結合器（９０°度ハイブリッド）、アイソレータ／減衰器、整合回路／ネットワーク、およびＤＣ電流バイアス・ジョセフソン接合を含む。閾値検出光子検出器／システムは、単一マイクロ波光子を検出するためのマイクロ波デバイスである。実施形態は、１）マイクロ波領域内（すなわち、ギガヘルツ（ＧＨｚ）範囲、例えば、１〜２０ＧＨｚ範囲内）の特定の帯域幅内の単一光子を検出し、２）非破壊様式で、すなわち、検出されている光子を破壊する（または吸収する）ことなく、光子の検出を実施するように構成される。

これより本発明の態様に移ると、図１は、１つまたは複数の実施形態に従うマイクロ波デバイス１００の概略図である。マイクロ波デバイス１００は、ポンプ駆動用の四分の一波長共鳴器１０２および量子信号用の四分の一波長共鳴器１０４を含む。ポンプ共鳴器１０２の一端は、結合コンデンサ１０６Ａに接続され、結合コンデンサ１０６Ａは、ポンプ供給線／伝送線に接続する。ポンプ供給線がポンプ・ポート１１１に接続されるか、またはポンプ・ポート１１１がポンプ供給線上にあるか、あるいはその両方である。ポンプ供給線は、マイクロ波生成器またはポンプ源からマイクロ波ポンプ信号３０５（すなわち、強力なマイクロ波トーン）を受信する。ポンプ共鳴器１０２の他方の端は、分散非線形素子、例えば、ジョセフソン接合（ＪＪ）１１０、およびポンプ周波数にある半波長スタブ１２０Ａの両方に接続する。ポンプ共鳴器１０２、ＪＪ１１０、およびスタブ１２０Ａの接続は、ノードＡと指定され得る。ノードＡの反対側では、スタブ１２０Ａが開回路（Ｏ．Ｃ．）において終端される。

マイクロ波デバイス１００内では、四分の一波長信号共鳴器１０４の一端が、結合コンデンサ１０６Ｂに接続され、結合コンデンサ１０６Ｂは、信号供給線／伝送線に接続する。信号供給線が信号ポート１１３に接続されるか、または信号ポート１１３が信号供給線上にあるか、あるいはその両方である。信号供給線は、量子デバイスから、マイクロ波量子信号４０５、すなわち、測定／試験されているマイクロ波信号を受信するように構成される。量子デバイスは、キュービット、キュービットに結合された空洞／共鳴器、光子源、キュービット−共鳴器システムなどであり得る。信号共鳴器１０４の他方の端は、ＪＪ１１０に接続し、またポンプ周波数にある半波長スタブ１２０Ｂに接続する。信号共鳴器１０４、ＪＪ１１０、およびスタブ１２０Ｂの接続は、ノードＢと指定され得る。ノードＢの反対側では、接地がマイクロ波信号の印加に対して短絡のように機能することから、スタブ１２０Ｂは短絡として終端される。信号供給線は、量子デバイスに接続され得る。

ポンプ共鳴器１０２は、基本モードを有し、これは、ポンプ・モードまたはポンプ共鳴モードと称され得る。ポンプ共鳴器１０２のポンプ・モードは、ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐと称され得る共鳴周波数を有する。ポンプ共鳴器１０２のポンプ・モードは、波長λ_Ｐを有し、λ_Ｐ＝ｃ’／ｆ_Ｐであり、ｃ’は、ポンプ共鳴器１０２の実装形態において使用される伝送線または導波路内の光の速度である。ポンプ共鳴器１０２に印加されるマイクロ波ポンプ信号３０５は、強コヒーレント共鳴トーンである（すなわち、その周波数は、ポンプ共鳴器１０２の共鳴周波数に一致する）。ポンプ共鳴器１０２は、ポンプ信号の波長の四分の一であるλ_ｐ／４に相当する長さを有するように設計される。スタブ１２０Ａおよび１２０Ｂは各々、ポンプ信号３０５の波長の半分であるλ_ｐ／２に相当する長さを有するように設計される。

信号共鳴器１０４は、基本モードを有し、これは、信号モードまたは信号共鳴モードと称され得る。信号共鳴器１０４の信号モードは、信号共鳴周波数ｆ_Ｓと称され得る共鳴周波数を有する。信号共鳴器に入力される量子マイクロ波信号４０５は、少数の単一光子を有する弱共鳴トーンであり、その周波数ｆ_Ｓは、信号モードの共鳴周波数に一致する。信号共鳴器１０４の信号モードは、波長λ_Ｓを有し、λ_Ｓ＝ｃ’／ｆ_Ｓであり、ｃ’は、デバイスの実装形態において使用される伝送線または導波路内の光の速度である。信号共鳴器１０４は、量子信号４０５の波長の四分の一であるλ_Ｓ／４に相当する長さを有するように設計される。

マイクロ波デバイス１００は、ポンプ共鳴器１０２の（ポンプ）共鳴周波数と信号共鳴器１０４の（信号）共鳴周波数との間の周波数条件を有する。周波数条件は、ポンプ共鳴器１０２のポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐが信号共鳴器１０４の信号共鳴周波数ｆ_Ｓの２倍に等しいというものである。言い換えると、周波数条件はｆ_Ｐ＝２・ｆ_Ｓである。したがって、印加されるポンプ信号３０５は、量子信号４０５の周波数ｆ_Ｓの２倍である周波数ｆ_Ｐを有する。

マイクロ波デバイス１００（またはポンプ信号３０５および量子信号４０５を介した動作、あるいはその両方）は、有効ハミルトニアン（駆動および供給線なし）

によって説明され得るように構成され、式中、

は、ポンプ共鳴モード項（ポンプ共鳴モードのドレッシングされた共鳴周波数として

を有する調和振動子(harmonic oscillator)としてモデル化される）を表し、

は、信号共鳴モード項（信号共鳴モードのドレッシングされた共鳴周波数として

を有する調和振動子としてモデル化される）を表し、

は、デバイスの自己カー非線形性(self-Kerr nonlinearity)を表し、

は、デバイスのクロス・カー非線形性を表す。さらに、Ｋは、自己カー定数（すなわち、光子あたりのカー周波数シフト）であり、Ｋ’は、クロス・カー定数（すなわち、光子あたりのクロス・カー周波数シフト）である。加えて、Ｎ_ｐは、ポンプ・モードの光子個数演算子であり（その固有値はポンプ共鳴モード内の光子の数である）、

であり、Ｎ_Ｓは、信号モードの光子個数演算子であり（その固有値は信号共鳴モード内の光子の数である）、

であり、および

であり、ｈは、プランク定数である。また、ａ_ｐおよびａ_ｓは、量子演算子（すなわち、ポンプおよび信号共鳴モードと関連付けられた消滅演算子）である。本文書内では時に、個数演算子自体ではなく個数演算子の固有値を表すために、記号Ｎ_ｐ、Ｎ_Ｓが利用され得ることに留意されたい。当業者は、これを文脈から容易に区別することができることにも留意されたい。

図２は、１つまたは複数の実施形態に従う、ポンプ・ポート１１１によって見られる（または影響を受ける）場合のマイクロ波デバイス１００のポンプ等価回路の概略図である。ポンプ・ポート１１１が見るものを例証することに加えて、図２は、ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐにある入ってくるポンプ信号３０５によって見られる場合の回路を同時に例証する。したがって、ポンプ・ポート１１１に関する記載は、入ってくるポンプ信号３０５に当てはまる。

ポンプ等価回路において、図２は、結合コンデンサ１０６Ａを介してポンプ共鳴器１０２の伝送線部に結合されたポンプ供給線（ポンプ・ポート１１１を含む）、およびジョセフソン接合１１０を介して接地に接続されたポンプ共鳴器の伝送線部の他方の端を示す。この等価回路を説明するためには、１）インピーダンス変成器として機能するスタブ１２０Ａが開回路として終端され、その長さはポンプ信号３０５の波長の半分に相当し、したがってノードＡはポンプ周波数にある開回路を見ること、および２）インピーダンス変成器として機能するスタブ１２０Ｂが短絡として終端され、その長さはポンプ信号３０５の波長の半分に相当し、したがってノードＢはポンプ周波数にある短絡を見ることに留意されたい。

このポンプ等価回路の１つの有益な結果は、ポンプ共鳴モードが信号共鳴器１０４を見ない（すなわち、それに影響されない）ことを示すということである。言い換えると、ポンプ共鳴器１０２は、信号共鳴器１０４から隔離される。別の有益な結果は、ポンプ共鳴モードと関連付けられたＲＦ電流Ｉ_Ｐが、ジョセフソン接合１１０の場所において反ノードを有するということである。

図３は、１つまたは複数の実施形態に従う、量子信号ポート１１３によって見られる場合のマイクロ波デバイス１００の信号等価回路の概略図である。信号・ポート１１３が見るものを例証することに加えて、図３は、信号共鳴周波数ｆ_Ｓにある入ってくる量子信号４０５によって見られる場合の等価回路を同時に示す。したがって、信号ポート１１３に関する議論は、入ってくる量子信号４０５に当てはまる。

信号ポートによって見られるマイクロ波デバイス１００の等価回路において、図３は、結合コンデンサ１０６Ｂを介して信号共鳴器１０４の伝送線部に結合された信号供給線（信号ポート１１３を含む）、およびジョセフソン接合１１０を介して接地に接続された信号共鳴器１０４の伝送線部の他方の端を示す。ポンプ周波数の周波数条件がｆ_Ｐ＝２・ｆ_Ｓである（ポンプ共鳴器１０２の基本共鳴モードがポンプ周波数ｆ_Ｐに相当する一方、信号共鳴器１０４の基本共鳴モードは、信号周波数ｆ_Ｓに相当する）ため、信号ポート１１３（信号共鳴周波数ｆ_Ｓにある量子信号４０５）は、ポンプ・ポート１１１の反対側を見る。

この場合（すなわち、信号ポートの場合）、インピーダンス変成器として機能するスタブ１２０Ｂは、短絡によって終端され、その長さは量子信号４０５の波長の四分の一に相当し、したがってノードＢは、信号共鳴周波数ｆ_Ｓにある開回路を見る。同様に、インピーダンス変成器として機能するスタブ１２０Ａは、開回路によって終端され、その長さは信号の波長の四分の一に相当し、したがってノードＡは、信号周波数ｆ_Ｓにある短絡を見る。

この信号等価回路の１つの有益な結果は、信号共鳴モードがポンプ共鳴器１０２を見ないことを示すということである。言い換えると、信号共鳴器１０４は、ポンプ共鳴器１０２から隔離される。別の有益な結果は、信号共鳴モードと関連付けられたＲＦ電流Ｉ_Ｓが、ジョセフソン接合１１０の場所において反ノードを有するということである。

ここで、図２および図３に基づいて、１）ポンプ共鳴器１０２（結合コンデンサおよび供給線は無視する）が、ジョセフソン接合１１０を介して接地に短絡されたポンプ周波数ｆ_Ｐにある四分の一波長伝送線からなり、２）信号共鳴器１０４（結合コンデンサおよび供給線は無視する）が、ジョセフソン接合１１０を介して接地に短絡された信号周波数ｆ_Ｓにある四分の一波長伝送線からなることを明解にすることは特筆すべきことである。

マイクロ波デバイス１００は、２つのマイクロ波共鳴モード（すなわち、ポンプ共鳴モードおよび信号共鳴モード）を共通の分散非線形素子、すなわち、ジョセフソン接合１１０に結合するように構成される。マイクロ波デバイス１００は、ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐにある１つのモードすなわちポンプ・モードを、光子の光子数検出器が信号共鳴周波数ｆ_Ｓにある第２のモードすなわち量子信号モードで存在する際には、使用するように構成される。マイクロ波デバイス１００内では、信号モードの信号共鳴周波数ｆ_Ｓは、検出される予定または計数される予定あるいはその両方であるマイクロ波光子のマイクロ波周波数に相当する。

ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐにある強コヒーレントマイクロ波トーン（すなわち、ポンプ信号３０５）を使用して（ポンプ共鳴器１０２の）ポンプ・モードを駆動することによって、マイクロ波デバイス１００は、ポンプ・モードと信号モードとの間（および結果的には、ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐにあるポンプ信号３０５と信号共鳴周波数ｆ_Ｓにある量子信号４０５との間）の非線形相互作用をもたらすジョセフソン接合１１０内のクロス・カー非線形効果を生じさせるように構成される。このクロス・カー効果の結果として、マイクロ波デバイス１００は、ポンプ・モードのポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐが周波数ｆ_Ｓにある信号共鳴モードにおける光子の数に依存するようになる、およびその逆であるように構成される。

マイクロ波デバイス１００は、周波数ｆ_Ｐにある反射ポンプ信号３０５’の位相を監視することによって、測定／分析デバイス（図示されない）が、量子非破壊測定において、信号モード内の信号光子の存在または不在を検出する（すなわち、反射ポンプ信号３０５’内の位相シフトのサイズに基づいて周波数ｆ_Ｓにある量子信号４０５内の信号光子の存在または不在を検出する）ことができるように、構成される。故に、マイクロ波デバイス１００は、非破壊マイクロ波光子検出器および計数器として機能することができる。ポンプ・モードの共鳴周波数内に周波数シフトを導入することによって、マイクロ波デバイス１００は、量子信号４０５内の信号光子を吸収することも破壊することもしない。むしろ、量子信号４０５’は、デバイス１００内のポンプ信号３０５とジョセフソン接合１１０を介して相互作用した後、信号供給線においてマイクロ波デバイス１００に反射される。

反射において測定され、かつ上に詳細に説明されるポンプ・モードおよび信号モードに加えて、マイクロ波デバイス１００は、ポンプ・ポートと信号ポートとの間の伝送において測定され得る２つの共通共鳴モードも有することに留意されたい。しかしながら、これらの共通共鳴モードは、上に説明される信号−ポンプ相互作用には関与せず、ポンプおよび信号共鳴モードからかなり離調される（したがって必要に応じてフィルタされ得る）周波数を有する。例えば、約１６ＧＨｚのポンプ共鳴周波数および約８ＧＨｚの信号共鳴周波数を有するデバイスでは、デバイスの共通モードは、約３ＧＨｚ、および約１３ＧＨｚで共鳴することが予期される。

デバイス説明から容易に推測され得るマイクロ波デバイス１００の２つの有益な利点は、以下である。１）信号光子の検出を可能にする強ポンプ駆動（すなわち、ポンプ信号３０５）が、検出されている弱信号（例えば、量子信号４０５）とは異なるポートを通って注入され、２）ポンプ・モードおよび信号モードは、互いから完全に隔離される（スタブ１２０Ａおよび１２０Ｂの使用に起因して）。それらは、それらのそれぞれの共鳴器１０２および１０４を接続するＪＪ１１０を介して相互作用するだけである。故に、設計により、ポンプ・ポート１１１と信号ポート１１３との間のいかなる直接電力漏出も存在すべきではない。

これより光子の不在または存在を検出するための非破壊閾値検出スキームの概説に移り、デバイス回路の全体像が論じられる（図４に示されるように）。閾値検出光子検出器／システムは、クロス・カー効果に基づく非破壊単一マイクロ波光子検出器、対称３ｄＢ結合器（９０°度ハイブリッド）、アイソレータ／減衰器、整合回路／ネットワーク、およびＤＣ電流バイアス・ジョセフソン接合を含む。

非破壊単一マイクロ波光子検出器の主な要件は以下である。１）単一光子レベルにおける強いクロス・カー効果、２）信号モードとポンプ・モードとの間の空間的およびスペクトル的分離、３）ポンプ・ポートと信号ポートとの間の十分な隔離。そのようなデバイスの一例は、図１、図２、および図３内の非破壊単一マイクロ波光子検出器１００である。このスキームは、信号光子の存在または欠如に応じたハイブリッド結合器のいずれかの出力において強め合う干渉を通じて大きいマイクロ波信号を生成するために、ハイブリッド結合器入力から出る反射ポンプ信号間の波干渉（すなわち、非破壊マイクロ波光子検出器１００のポンプ・ポート、および開回路によって終端されたハイブリッドの第２の出力）に依存する。入力信号光子がない場合、ポンプ共鳴周波数は、ポンプ駆動周波数と一致する。結果として、非破壊光子検出器１００のポンプ・ポートから出る反射ポンプ信号は、ＪＪに接続されたハイブリッド入力においてハイブリッド結合器の開口側から出る反射ポンプ信号を弱め合って干渉(interfere destructively,destructive interference)し、したがってＪＪをゼロ電圧状態のままにする。しかしながら、（非破壊光子検出器１００の信号ポートに入ってくる）信号光子がある場合、ポンプ共鳴周波数は、ポンプ・ポートからの反射されたポンプ駆動の位相を引き起こす帯域幅を超えてシフトされて、＋／−１８０度の位相シフトを獲得し、それが結果として、ＪＪに接続されたハイブリッド入力における強め合う干渉(constructive interference)を通じて大きい反射ポンプ信号の生成をもたらし、したがってＪＪを電圧状態（確実に測定および検出され得る）へと駆動する。帯域幅を超えたシフトとは、デバイス作用点におけるポンプ共鳴器の帯域幅を指す。

これよりさらに詳細な図に移ると、図４は、１つまたは複数の実施形態に従うシステム２００の概略図である。図４は、破線によって描かれた閾値検出光子検出器／システム２０５を含む。閾値検出光子検出器２０５は、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００を使用した単一マイクロ波光子の高忠実度閾値検出を提供するように構成されたマイクロ波デバイスである。閾値検出光子検出器／システム２０５は、希釈冷凍機などの極低温デバイス内にある。加えて、システム２００全体が、極低温デバイス内にあり得る。

クロス・カー非線形性に基づく量子非破壊マイクロ波光子検出器１００の有効ハミルトニアンは、

によって得られる。簡潔性の目的のために量子非破壊マイクロ波光子検出器１００の詳細は図４では省略されているが、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００は、本明細書内で論じられるような詳細を含むということが理解される。１つの実装形態において、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００は、当業者によって理解されるように、本明細書内で論じられるように動作するように構成された別の非破壊マイクロ波光子検出器によって置き換えられ得る。

閾値検出光子検出器２０５はまた、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００に接続された直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０、および整合回路／ネットワーク(matching network)２２０を含む。１つの実装形態において、アイソレータ２１５Ａが、任意選択的に、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０と整合ネットワーク２２０との間に挿入され得る。１つの実装形態において、アイソレータ２１５Ａは、多重反射を防ぐために抵抗減衰器と置き換えられ得る。加えて、システム／デバイス２０５は、特にアイソレータ２１５Ａがオン・チップ減衰器(on-chip attenuator)によって置き換えられるときには、チップ上に実装され得る。別の実装形態において、アイソレータ２１５Ａは存在せず、この場合、閾値検出光子検出器２０５は、多重反射を防ぐために、ＪＪ２５０内での大きいマイクロ波信号の消散に依存し得る。また、閾値検出光子検出器２０５内で、整合ネットワーク２２０が、ＪＪ２５０に接続される。整合ネットワーク２２０は、アイソレータ２１５Ａまたは直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０あるいはその両方のインピーダンスをＪＪ２５０のインピーダンスに一致させるように構成されるインピーダンス変成器であり得る。測定デバイス２５５は、ＪＪ２５０にわたる電圧降下を測定するために、ＪＪ２５０に並列に接続される。１つの実装形態において、測定デバイス２５５は、閾値検出光子検出器２０５の部分であり得るか、または閾値検出光子検出器２０５内に統合され得る。別の実装形態において、測定デバイス２５５は、閾値検出光子検出器２０５から分離している。

システム２００は、別のアイソレータ２１５Ｂに接続された光子源２３５を含み、アイソレータ２１５Ｂは、閾値検出光子検出器２０５の量子非破壊マイクロ波光子検出器１００に接続される。加えて、システム２０５は、アイソレータ２１５Ｃに接続されたマイクロ波ポンプ信号２３０を含み、アイソレータ２１５Ｃは、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０の１つのポートに接続する。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、４ポートデバイスである。限定ではなく説明の目的のため、４ポートは、ポート１、２、３、および４と特定される。

アイソレータ２１５Ｂおよびアイソレータ２１５Ｃは任意選択である。１つの実装形態において、アイソレータ２１５Ｂおよび２１５Ｃは、サーキュレータによって置き換えられ得る。

システム２００は、コントローラ２８０を含み得る。コントローラ２８０は、フィードバック・ループを介して測定デバイス２５５および光子源（キュービット−共鳴器）２３５に接続される。コントローラ２８０が電圧測定を提供するように構成されるように、コントローラ２８０は、測定デバイス２５５に置き換わる、または測定デバイス２５５を統合する、あるいはその両方である電子回路であり得る。コントローラ２８０は、処理装置、メモリ、およびメモリ内のコンピュータ実行可能命令を含み得る。光子源２３５がキュービット−共鳴器システムであるとき、コントローラ２８０は、ＪＪ２５０の電圧測定に基づいてマイクロ波信号がキュービット−共鳴器に送信されるようにするために、マイクロ波源を制御し得る、またはマイクロ波源と統合され得る、あるいはその両方である。

図５は、１つまたは複数の実施形態に従う、光子の入力信号がないときの動作を描写するシステム２００の概略図である。具体的には、図５は、非破壊光子検出器１００がオンレゾナンス(on-resonance)でマイクロ波ポンプ信号３０５によってバイアスされ、かつ非破壊光子検出器１００に入力される量子信号４０５のないシナリオを例証する。

図５では、ポンプ周波数ｆ_Ｐにあるマイクロ波ポンプ信号３０５が、ポンプ源２３０からアイソレータ２１５Ｃを通って直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート２内へ伝送される。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、９０°ハイブリッド結合器である。したがって、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０において、マイクロ波ポンプ信号３０５の２分の１が、分割され、ポート１および３を通って出力される。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート３は、開回路に接続され、マイクロ波ポンプ信号３０５の２分の１が、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０から開回路へ伝送される。続いて、マイクロ波ポンプ信号３０５は、開回路から直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート３へ、反射ポンプ信号３０５’として反射される。

ポート１に関しては、マイクロ波ポンプ信号３０５の２分の１が、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０から、ポンプ・ポート１１１において量子非破壊マイクロ波光子検出器１００へ伝送される。量子非破壊マイクロ波光子検出器１００は、マイクロ波ポンプ信号３０５の２分の１を反射マイクロ波ポンプ信号３０５’の２分の１として反射するように構成される。

図５では、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００の信号ポート１１３に印加される量子（マイクロ波）信号４０５がない場合（すなわち、光子がない、したがってＮ_Ｓ＝０）、ポンプ共鳴器１０２はオンレゾナンスのままであり、これは、ポンプ共鳴周波数がｆ_Ｐであり、ポンプ信号３０５が周波数ｆ_Ｐで伝送されたことを意味する。光子源２３５から量子非破壊マイクロ波光子検出器１００へ伝送される信号周波数ｆ_Ｓの量子（マイクロ波）信号４０５がない場合、クロス・カー非線形性に基づく量子非破壊マイクロ波光子検出器１００の有効ハミルトニアンは、Ｎ_Ｓ項が０に等しいことから、

によって得られる。

直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００から伝送されたマイクロ波ポンプ信号３０５’をポート１において受信するように、および開回路から伝送されたマイクロ波ポンプ信号３０５’をポート３において受信するように構成される。ポンプ信号３０５がポンプ共鳴器１０２とオンレゾナンスのままである（すなわち、ポンプ信号３０５の周波数がポンプ共鳴器１０２のポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐと同じである）ことから、大きい反射ポンプ信号３０５’（大きい矢印で示される）は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート２を通って、ポンプ源２３０へ向かう方向に伝送線上を戻って伝送される。しかしながら、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート４を通ってアイソレータ２１５Ａへ向けて伝送される反射ポンプ信号は存在しない。ごく少量の反射ポンプ信号が直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート４からアイソレータ２１５Ａへ出力される場合でさえ、余分な電力（または微量）がＪＪ２５０に伝送されないことに留意されたい。ＪＪ２５０に達する可能性のある少量の反射ポンプ信号または電力の例は、０．１フェムトワット（ｆＷ）未満、または小電流であり得、これは、電圧降下を引き起こさない小電流／電力の例である。マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート４からＪＪ２５０に伝送される反射ポンプ信号がない（または微量である）ため、ＪＪ２５０は、ゼロ電圧状態とも称される超電流状態のままである。当業者によって理解されるように、ＪＪ２５０内を流れる電流が臨界電流Ｉ_Ｃより小さいとき、ＪＪにわたる電圧降下はゼロである。１つの実装形態において、ＪＪ２５０は、例えば、低雑音ＤＣ電流源からの、ＤＣ電流Ｉ_ＢＩＡＳによってバイアスされ得る。バイアスされるとき、ＤＣ電流Ｉ_ＢＩＡＳは、超電流／臨界電流Ｉ_Ｃ未満である。

測定デバイス２５５は、ＪＪ２５０にわたって電圧降下が存在するかどうかを測定するために利用される。測定デバイス２５５が、電圧降下がゼロである（Ｖ＝０）と決定すると、Ｖ＝０は、デバイスに入った信号光子がなく、ＪＪ２５０が、コントローラ２８０によって認識されるようにゼロ電圧状態／超電流状態にあることを示す。しかしながら、測定デバイス２５５が、電圧降下がゼロに等しくない（Ｖ≠０）と決定すると、Ｖ≠０は、図６にさらに論じられるように、追加のｒｆ電流（Ｉ_ＢＩＡＳ以外）がＪＪ２５０を通って流れているために、ＪＪ２５０が電圧状態にある（コントローラ２８０によって認識されるように）ことを示す。

したがって、閾値検出光子検出器／システム２０５は、閾値がＪＪ２５０にわたって電圧降下を引き起こすために満たされたときを検出するように構成され、電圧降下なしは、マイクロ波光子が存在しないこと（すなわち、光子源２３５から伝送されたまたは信号共鳴器１０４に入った光子がないこと）を意味し、電圧降下は、マイクロ波光子が存在すること（すなわち、光子が量子マイクロ波信号４０５を介して光子源２３５から伝送され、信号共鳴器１０４に入ったこと）を意味する。

図６は、１つまたは複数の実施形態に従う、光子の入力信号があるときの動作を描写するシステム２００の概略図である。この場合、図６は、（量子信号４０５の）入力信号光子が、非破壊光子検出器１００内のポンプ共鳴器１０２のポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐをシフトし、結果としてポンプ駆動／ポンプ信号３０５がオフレゾナンスになる（以前に同じポンプ信号３０５がオンレゾナンスであったとき）シナリオを例証する。非破壊光子検出器１００内のポンプ共鳴器１０２のポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐのシフトは、非破壊光子検出器１００内へ入力される周波数ｆ_Ｓの量子信号４０５によって引き起こされる。量子信号４０５によるポンプ共鳴器１０２のポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐのシフトが理由で、これにより非破壊光子検出器１００から直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０へ伝送される反射ポンプ信号３０５’内に位相シフトを引き起こす。結果として、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、大きい反射ポンプ信号４０５がポート４から出力されるようにするように構成される。位相シフトに関することはさらに、図１１、図１２、および図１４において論じられる。この大きい反射ポンプ信号３０５’は、アイソレータ２１５Ａおよび整合ネットワーク２２０を介してＪＪ２５０へ伝送される。ＪＪ２５０によって受信される大きい反射ポンプ信号３０５が理由で、ＪＪ２５０は、ゼロ電圧状態／超電流状態から電圧状態へシフトされ、測定デバイス２５５（またはコントローラ２８０あるいはその両方）は、電圧降下がゼロに等しくないこと（Ｖ≠０）を決定し、それにより、光子が存在する（すなわち、１つまたは複数の光子が光子源２３５から伝送された）ことを示す。

図６（量子信号４０５内の少なくとも１つのマイクロ波光子が光子源２３５から非破壊光子検出器１００へ伝送される）における図５（量子信号４０５が光子源２３５から非破壊光子検出器１００へ伝送されない）に対する違いを例証するために、例示的なシナリオが以下に提供される。図６では、ポンプ周波数ｆ_Ｐにあるマイクロ波ポンプ信号３０５が、ポンプ源２３０からアイソレータ２１５Ｃを通って直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート２内へ伝送される。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０が９０°ハイブリッド結合器であることから、マイクロ波ポンプ信号３０５の２分の１が分割され、ポート１および３を通って出力される。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート３は、マイクロ波ポンプ信号３０５が開回路へ伝送され、反射ポンプ信号３０５’として開回路から反射されるように、開回路に接続される。ポート１に関しては、マイクロ波ポンプ信号３０５が、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０から、ポンプ・ポート１１１において量子非破壊マイクロ波光子検出器１００へ伝送される。量子非破壊マイクロ波光子検出器１００は、マイクロ波ポンプ信号３０５を反射マイクロ波ポンプ信号３０５’として反射するように構成される。

量子（マイクロ波）信号４０５が、光子が存在する（Ｎ_Ｓ＞０）ことを表す量子非破壊マイクロ波光子検出器１００の信号ポート１１３に印加されると、ポンプ共鳴器１０２は、その基礎共鳴周波数内にシフトを有し、これは、ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐが異なる値にシフトされ、ポンプ信号３０５の周波数がポンプ共鳴器１０２のポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐに一致しない（またはもはや一致しない）ことを意味する。

信号周波数ｆ_Ｓにある量子（マイクロ波）信号４０５が光子源２３５から量子非破壊マイクロ波光子検出器１００へ伝送されるため、クロス・カー非線形性に基づく量子非破壊マイクロ波光子検出器１００の有効ハミルトニアンは、Ｎ_Ｓが０より大きいことから、

によって得られる。

直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００から伝送された反射マイクロ波ポンプ信号３０５’をポート１において受信し、開回路から伝送された反射マイクロ波ポンプ信号３０５’をポート３において受信するように構成される。ポンプ信号３０５の周波数が、ポンプ共鳴器１０２のポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐとオンレゾナンスでない、またはもはやオンレゾナンスでないため、大きい反射ポンプ信号３０５’（大きい矢印によって示される）が、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート４からアイソレータ２１５Ａおよび整合ネットワーク２２０を介してＪＪ２５０へ伝送される。ＪＪ２５０において受信された大きい反射ポンプ信号３０５’は、ＪＪ２５０において比較的大量の電力を引き起こし、それによりＪＪ２５０を電圧状態へと切り替え、その電圧降下（すなわち、電圧の値）が測定デバイス２５５によって検出される。１つの実装形態において、ＪＪ２５０を電圧状態へと切り替えるために閾値を超えるように利用され得る電力または電流の例は、０．１ｎＷ（ナノワット）であり得る。別の実装形態において、ＪＪ２５０を電圧状態へと切り替えるために、閾値としての電力または電流の例は、１０ｐＷ（ピコワット）であり得る。

ゼロ電圧状態／超電流状態から電圧状態への切り替えは、測定デバイス２５５による光子の検出を示す。したがって、閾値検出光子検出器／システム２０５は、閾値がＪＪ２５０にわたって電圧降下を引き起こすために満たされたことを検出することによって、マイクロ波光子が存在する（すなわち、光子が量子マイクロ波信号４０５を介して光子源２３５から伝送される）ことを決定するように構成される。

しかしながら、図６では、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート２からポンプ源２３０の方へ戻って伝送される反射マイクロ波ポンプ信号３０５’は存在しない。これは、以前にポンプ共鳴器１０２に伝送されたポンプ信号３０５がオフレゾナンスであったためである。

図７は、１つまたは複数の実施形態に従う、原位置単一マイクロ波光子検出を描写するシステム２００の概略図である。図８は、１つまたは複数の実施形態に従う、原位置単一マイクロ波光子検出を描写するシステム２００の概略図である。図７および図８は、検出プロセスを例証するシステム２００の部分図である。図７は、Ｎ_Ｓ＝０である光子なしの場合の例であり、図８は、Ｎ_Ｓ＞０である信号光子の場合の例である。図８内のＪＪ２５０にわたる電圧のスパイク、または図７内のスパイクの欠如を測定することによって、オペレータ（またはコントローラ２８０）は、原位置で（希釈冷凍機などの極低温装置の内側で）入力信号光子の存在（電圧スパイク）または不在（電圧スパイクなし）をそれぞれ決定することができる。

図９は、１つまたは複数の実施形態に従う、入力信号光子がないことを描写するシステム２００の概略図である。図９は、非破壊光子検出器１００に接続された伝送線上の信号を例証するシステム２００の部分図にすぎない。図１０は、１つまたは複数の実施形態に従う、図９内の非破壊光子検出器１００の効果を特徴付けるグラフ８００である。この場合、非破壊光子検出器１００は、図９ではオンレゾナンスでバイアスされ、ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐをシフトするための入力信号光子はない。したがって、マイクロ波ポンプ信号３０５は、量子信号４０５が非破壊光子検出器１００に入力されない条件下で、（非破壊光子検出器１００から伝送された）反射ポンプ信号３０５’が入射ポンプ信号３０５の位相に対する位相シフト（０°位相シフト）を経ることがないように、ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐに一致する周波数で伝送される。これは、図１０のグラフ８００においてポンプ共鳴器１０２についてのポンプ共振曲線(resonance curve)８０５によっても示される。

図１１は、１つまたは複数の実施形態に従う、量子マイクロ波信号４０５を介した入力信号光子の受信を描写するシステム２００の概略図である。図１１は、非破壊光子検出器１００に接続された伝送線上の信号を例証するシステム２００の部分図にすぎない。図１２は、１つまたは複数の実施形態に従う、図１１内の非破壊光子検出器１００の効果を特徴付けるグラフ１０００である。この場合、非破壊光子検出器１００は、オンレゾナンスでバイアスされるが、入力信号光子(photons)（マイクロ波信号４０５を介した）の存在が、ポンプ共鳴器１０２のポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐを、Δｆ_ｐ＝Ｋ’Ｎ_Ｓ／２πだけシフトし、式中、Δｆ_ｐは、ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐ内のシフトを表す。

したがって、マイクロ波ポンプ信号３０５は、量子信号４０５が非破壊光子検出器１００に入力される条件下で、ポンプ信号３０５が０°位相を有し、（非破壊光子検出器１００から伝送された）反射ポンプ信号３０５’が−１８０°位相を有するように、ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐに一致しない周波数で伝送される。これは、ポンプ信号の周波数での図１２のグラフ１０００において、ポンプ共鳴器１０２の元のポンプ共振曲線８０５とシフトされた共振曲線９０５との間の反射ポンプ信号３０５’の位相における−１８０°シフトによっても示される。反射ポンプ信号３０５’についての−１８０°へのこの位相シフトにより、ＪＪ２５０が電圧状態（すなわち、Ｖ≠０）へシフトするようにさせる。

反射ポンプ信号３０５’の位相がどのように閾値検出光子検出器／システム２０５において利用されるかについてのさらなる詳細は、図１３および図１４に論じられる。図１３は、１つまたは複数の実施形態に従う、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０における反射ポンプ信号の位相の利用を描写するシステム２００の概略図である。図１３は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０に関して信号３０５、３０５’に対する位相シフトの関係を例証するシステム２００の部分図にすぎず、信号３０５、３０５’をさらに叙述するために、信号呼称３０５＿１、３０５＿１’、３０５＿２、３０５＿２’が説明目的のために使用される。図１３は、入力信号光子の欠如により、大きいポンプ駆動が、ポンプ源２３０へ向けて量子非破壊検出器に反射するようにさせる場合を例証する。

これより、図１３の詳細に移ると、位相０°および周波数ｆ_Ｐにある大きいポンプ信号３０５が、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート２に入力され、幅広矢印は大きい信号を表す。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０が９０°ハイブリッド結合器であることから、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、マイクロ波ポンプ信号３０５＿１が位相０°でポート１を通って出力し、マイクロ波ポンプ信号３０５＿２が位相９０°でポート３を通って出力するように、大きいポンプ信号３０５を２分の１に分割するように構成される。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート３が開回路に接続されることから、位相９０°にあるマイクロ波ポンプ信号３０５＿２は、位相２７０°にある反射ポンプ信号３０５＿２’としてポート３へ（開回路から）反射される。ポート１に関しては、位相０°にあるマイクロ波ポンプ信号３０５＿１は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート１から、ポンプ・ポート１１１において量子非破壊マイクロ波光子検出器１００へ伝送される。ポンプ信号３０５＿１が、ポンプ共鳴器１０２のポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐに一致する周波数であることから、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００は、位相０°にあるマイクロ波ポンプ信号３０５＿１を、位相０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’として直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート１へ反射するように構成される。

この時点で、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、ポート１内へ位相０°にあるマイクロ波ポンプ信号３０５＿１’、およびポート３内へ位相２７０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’の両方を受信する。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０が、入ってくる信号を２分の１に分割して、位相を９０°増大させるように構造化されることから、それが、入ってくる信号を交差方向に出力するとき、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、（以前は、位相０°にあり、ポート１において入力された）反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’の２分の１を、（交差方向が理由で）位相９０°増大を伴って（すなわち、０°＋９０°＝９０°）ポート４に出力するように構成されるため、結果として、位相９０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’がポート４を出射する。加えて、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、（以前は、位相０°にあり、ポート１において入力された）反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’の２分の１を、水平方向における位相０°増大を伴って（すなわち、０°＋０°＝０°）ポート２に出力するように構成されるため、結果として、位相０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’がポート２を出射する。

ポート３に入る位相２７０°にある反射ポンプ信号３０５＿２’に関して、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、（以前は、位相２７０°にあり、ポート３において入力された）反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’の２分の１を、交差方向が理由で位相９０°増大を伴って（すなわち、２７０°＋９０°＝３６０°）ポート２に出力するように構成されるため、結果として、位相３６０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’が直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート２を出射する。加えて、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、（以前は、位相２７０°にあり、ポート３において入力された）反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’の２分の１を、水平方向が理由で位相０°増大（すなわち、０°＋２７０°＝２７０°）を伴ってポート４に出力するように構成されるため、結果として、位相２７０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’が直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート４を出射する。

ポンプ源２３０の方へ伝送線上を戻るのは、位相０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’、および位相３６０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’であり、波干渉に起因して、位相０°にある信号３０５＿１’および位相３６０°にある信号３０５＿２’が、強め合って追加／混合して、位相０°にある大きい反射ポンプ信号１１０５を生成する。大きい反射ポンプ信号１１０５は、図５内の大きい反射ポンプ信号３０５’と同じである。

しかしながら、ＪＪ２５０の方へ伝送線上を戻るのは、位相９０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’、および位相２７０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’であり、波干渉に起因して、位相９０°にある信号３０５＿１’および位相２７０°にある信号３０５＿２’が、弱め合って追加／混合して、信号を弱め合って生成しない。したがって、ゼロ電圧状態から電圧状態へのＪＪ２５０のシフトは存在せず、したがって、検出されるマイクロ波光子がないという（コントローラ２８０による）決定が存在する。図１３は、図４、図５、図７、図９、および図１０に論じられる閾値検出光子検出器／システム２０５の動作を例証する。

図１４は、１つまたは複数の実施形態に従う、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０における反射ポンプ信号の位相の利用を描写するシステム２００の概略図である。図１４は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０に関して信号３０５、３０５’、４０５に対する位相の関係を例証するシステム２００の部分図にすぎず、信号３０５、３０５’をさらに叙述するために、信号呼称３０５＿１、３０５＿１’、３０５＿２、３０５＿２’が使用される。図１４は、入力信号光子の存在により、大きいポンプ駆動が、ＪＪ２５０へ向けて量子非破壊検出器に反射するようにし、それにより光子の検出をもたらす場合を例証する。

これより、図１４の詳細に移ると、位相０°を有し周波数ｆ_Ｐにある大きいポンプ信号３０５が、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート２に入力され、幅広矢印は大きい信号を表す。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０が９０°ハイブリッド結合器であることから、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、マイクロ波ポンプ信号３０５＿１が位相０°でポート１を通って出力し、マイクロ波ポンプ信号３０５＿２が位相９０°でポート３を通って出力するように、大きいポンプ信号３０５を２分の１に分割するように構成される。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート３が開回路によって終端されることから、位相９０°にあるマイクロ波ポンプ信号３０５＿２は、位相２７０°にある反射ポンプ信号３０５＿２’として（開回路から）ポート３に反射される。この点において、図１４の記載は、図１３と同一であった。ポート１に関しては、位相０°にあるマイクロ波ポンプ信号３０５＿１は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート１から、ポンプ・ポート１１１において量子非破壊マイクロ波光子検出器１００へ伝送される。結果として、量子マイクロ波信号４０５は、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００の信号ポート１１３に入力される。量子マイクロ波信号４０５は、ポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐをシフトする。したがって、ポンプ信号３０５＿１は、ポンプ共鳴器１０２のポンプ共鳴周波数ｆ_Ｐに一致する周波数にもはやなく、またこの不一致が理由で、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００は、マイクロ波ポンプ信号３０５＿１（位相０°で伝送される）を位相−１８０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’としてポート１に反射するように構成される。この場合、図１１および図１２において論じられるように、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート１へ返送される反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’において発生する−１８０°位相シフトが存在する。

この時点で、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、ポート１内への位相−１８０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’、およびポート３内への位相２７０°にある反射ポンプ信号３０５＿２’の両方を受信する。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０が、入ってくる信号を２分の１に分割して、位相を交差方向について９０°増大させ、また入ってくる信号を交差方向ならびに水平方向に出力するように構造化されることから、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、（以前は、位相−１８０°にあり、ポート１において入力された）反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’の２分の１を、位相９０°増大を伴って（すなわち、−１８０°＋９０°＝−９０°）ポート４に出力するように構成されるため、結果として、位相−９０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’が直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０のポート４を出射する。加えて、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、（以前は、位相−１８０°にあり、ポート１において入力された）反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’の２分の１を、位相０°増大を伴って（すなわち、−１８０°＋０°＝−１８０°）ポート２に出力するように構成されるため、結果として、位相−１８０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’がポート２を出射する。

ポート３に入る位相２７０°にある反射ポンプ信号３０５＿２’に関して、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、（以前は、位相２７０°にあり、ポート３において入力された）反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’の２分の１を、位相９０°増大を伴って（すなわち、２７０°＋９０°＝３６０°）ポート２に出力するように構成されるため、結果として、位相３６０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’がポート２を出射する。加えて、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、（以前は、位相２７０°にあり、ポート３において入力された）反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’の２分の１を位相０°増大を伴って（すなわち、０°＋２７０°＝２７０°）ポート４に出力するように構成されるため、結果として、位相２７０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’がポート４を出射する。

ポンプ源２３０の方へ伝送線上を戻るのは、位相−１８０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’、および位相３６０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’であり、弱め合う波干渉に起因して、位相−１８０°にある信号３０５＿１’および位相３６０°にある信号３０５＿２’が、追加／混合して、信号なしを結果的にもたらす。

しかしながら、ＪＪ２５０の方へ伝送線上を戻るのは、位相−９０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿１’、および位相２７０°にある反射マイクロ波ポンプ信号３０５＿２’であり、強め合う波干渉に起因して、位相−９０°にある信号３０５＿１’および位相２７０°にある信号３０５＿２’が、追加／混合して、大きい反射マイクロ波信号１２０５（図６および図８内の大きい反射マイクロ波信号３０５’と同じである）を生成する。ＪＪ２５０によって受信される大きい反射マイクロ波信号１２０５（例えば、１ｎＷ以上）が理由で、ＪＪ２５０においてゼロ電圧状態から電圧状態へのシフトが存在し、したがって、マイクロ波光子が検出されるというコントローラ２８０による決定が存在する。図１４は、図４、図６、図８、図１１、および図１２に論じられる閾値検出光子検出器／システム２０５の動作を例証する。

コンデンサ（コンデンサ内の誘電材料を除く）を含む量子非破壊マイクロ波光子検出器１００、伝送線、ジョセフソン接合１１０、２５０（薄い絶縁材料を除く）、共鳴器１０２、１０４、および整合ネットワーク２２０は、超伝導材料製である。加えて、直交マイクロ波９０°ハイブリッド結合器２１０は、低損失常伝導金属製であるか、または超伝導材料製であり得る。また、キュービット−共鳴器システムは、超伝導材料製である。超伝導材料（約１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）、または約４Ｋなど、低温度で）の例としては、ニオブ、アルミニウム、タンタルなどが挙げられる。

閾値検出光子検出器／システム２０５またはシステム２００あるいはその両方は、超伝導量子プロセッサを収容する希釈冷凍機から出る出力線の数を減少させることによってスケーラビリティを促進するように構成される。また、このスキームは、大量のキュービットへ容易に拡大され得る。閾値検出光子検出器／システム２０５またはシステム２００あるいはその両方は、出力線を削除することによって、システム２００、２０５が、出力線に対する熱雑音および電磁雑音（冷凍機の外側から生じるか、または能動デバイスによって生成される）が量子システムにまで伝播してそのコヒーレンスに影響を与えることを防ぐように構成されることから、量子システムへの保護を追加する。

閾値検出光子検出器／システム２０５またはシステム２００あるいはその両方は、冷凍機から出ることなく量子状態の原位置測定を可能にする。閾値検出光子検出器／システム２０５またはシステム２００あるいはその両方は、冷凍機の内側に意思決定機構（すなわち、コントローラ２８０）を組み込むことによって、冷凍機の内側のフィードバック・ループを閉じる。コントローラ２８０は、これらの測定に基づいて意思決定を行い、フィードバック駆動信号を（例えば、高速単一磁束量子（ＲＳＦＱ）／フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）回路を介して）印加する。冷凍機の内側のフィードバック・ループを閉じることによって、ループの電気長が著しく短くなり、したがってより速いフィードバック・サイクルを可能にする。

さらに、システム２００において、量子システムは、量子システム（例えば、光子源２３５）と非破壊マイクロ波光子検出器１００（信号側）との間に挿入された極低温サーキュレータの第３のポートに出力線を接続することによって、比較的容易に室温でプローブまたは測定され得る。

図１５は、１つまたは複数の実施形態に従う、閾値検出マイクロ波検出デバイス２０５を形成する方法のフローチャート１３００である。ブロック１３０５において、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００が提供される。ブロック１３１０において、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０が、量子非破壊マイクロ波光子検出器１００に接続される。分散非線形素子２５０は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０に結合される。

分散非線形素子２５０は、マイクロ波光子の検出を示す電圧状態へ切り替わるように構成される。この電圧状態は、分散非線形素子２５０にわたって電圧降下があることに相当する。分散非線形素子２５０は、マイクロ波光子の非検出を示すゼロ電圧状態にあるように構成される。ゼロ電圧は、分散非線形素子２５０にわたって電圧降下がないことに相当する。分散非線形素子２５０は、ジョセフソン接合である。分散非線形素子は、直流（ＤＣ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）である。

アイソレータ２１５Ａは、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０と分散非線形素子２５０との間に接続される。量子非破壊マイクロ波光子検出器１００は、マイクロ波信号４０５およびポンプ信号３０５を受信するように構成され、その結果として、分散非線形素子２５０が電圧状態に切り替わり、それによりマイクロ波信号４０５内のマイクロ波光子を検出する。測定デバイス２５５は、分散非線形素子２５０にわたって非ゼロ電圧を測定することによってマイクロ波光子を検出するように構成される。

図１６は、１つまたは複数の実施形態に従う、マイクロ波光子を検出する方法のフローチャート１４００である。ブロック１４０５において、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０が、量子非破壊マイクロ波デバイス１００から反射マイクロ波ポンプ信号３０５’を（例えば、ポート１において）受信するように構成される。ブロック１４１０において、測定デバイス２５５またはコントローラ２８０あるいはその両方が、電圧状態にある分散非線形素子２５０に基づいてマイクロ波光子の存在を決定するように構成され、分散非線形素子２５０は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０に結合される。

マイクロ波光子は、量子マイクロ波信号４０５内で量子非破壊マイクロ波デバイス１００に入力されている。直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０は、反射マイクロ波信号３０５’の部分を分散非線形素子２５０に出力する。

図１７は、１つまたは複数の実施形態に従う、マイクロ波光子の不在を検出する方法のフローチャート１５００である。ブロック１５０５において、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０が、量子非破壊マイクロ波デバイス１００から反射マイクロ波ポンプ信号３０５’を受信するように構成される。ブロック１５１０において、測定デバイス２５５またはコントローラ２８０あるいはその両方が、ゼロ電圧状態にある分散非線形素子２５０に基づいてマイクロ波光子の不在を決定するように構成され、分散非線形素子２５０は、直交マイクロ波ハイブリッド結合器２１０に結合される。

ゼロ電圧状態にある分散非線形素子２５０は、量子源２３５から量子非破壊マイクロ波デバイス１００へ入力されるマイクロ波光子がないことを示す。

技術的利点は、閾値検出非破壊光子検出器／システムを含む。技術的利点として、信号光子の存在または欠如を示す出力電圧信号は、高速単一磁束量子（ＲＳＦＱ）電子装置または半導体ベースの電子装置を使用して、希釈冷凍機内にて原位置で測定され得る。結果として、室温設備を使用して冷凍機の外側で量子信号の出力信号を測定する必要がない。さらに、そのような電圧測定は、冷凍機から出ることなく、フィードバック信号を量子信号源に戻して印加することを可能にする。言い換えると、それは、冷凍機の内側の量子フィードバック・ループを閉じることを可能にする。そのような能力は、量子制限された増幅器、サーキュレータ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、同軸ケーブルなど、スケーラブルな超伝導量子プロセッサを実現するために必要とされる出力線およびハードウェアの数を減少させる。また、出力線およびハードウェアの数を減少させることによって、これが、量子ループの持続時間を短くし（すなわち、フィードバック速度を上げるか、または計算および意思決定により多くの時間を当てる）、また、出力線にまで伝播するか、または出力線内の能動コンポーネント（すなわち、増幅器）によって生成される潜在的な雑音源を削除する。量子システムから出て信号ポートにおいて非破壊光子検出器に反射する量子信号は、量子制限された増幅器を使用して増幅され、標準的な室温設備を使用して測定され得る。この能力は、デバッグまたはモニタリング目的に有用であり得る。

「約」という用語およびその変形形態は、本出願の提出時に利用可能な設備に基づいた特定の量の測定と関連付けられた誤差の度合いを含むことが意図される。例えば、「約」は、与えられた値の±８％、または５％、または２％の範囲を含み得る。

本発明の態様は、本発明の実施形態に従う方法、装置（システム）、およびコンピュータ・プログラム製品のフローチャート例示図またはブロック図あるいはその両方に関連して本明細書内で説明される。フローチャート例示図またはブロック図あるいはその両方の各ブロック、ならびにフローチャート例示図またはブロック図あるいはその両方におけるブロックの組み合わせは、コンピュータ可読プログラム命令によって実施され得ることが理解される。

図面内のフローチャートおよびブロック図は、本発明の様々な実施形態に従うシステム、方法、およびコンピュータ・プログラム製品の可能性のある実装形態のアーキテクチャ、機能性、および動作を例証する。この点に関して、フローチャートまたはブロック図内の各ブロックは、指定の論理機能を実施するための１つまたは複数の実行可能な命令を含む、命令のモジュール、セグメント、または部分を表し得る。いくつかの代替的な実装形態において、ブロック内に記述される機能は、図中に記述された順序から外れて発生し得る。例えば、連続して示される２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行され得るか、または、ブロックは、関連する機能性に応じて、時には、逆の順序で実行され得る。ブロック図またはフローチャート例示図あるいはその両方の各ブロック、ならびにブロック図またはフローチャート例示図あるいはその両方内のブロックの組み合わせが、指定の機能もしくは作用を実施する、または特殊用途ハードウェアおよびコンピュータ命令の組み合わせを実行する特殊用途ハードウェア・ベースのシステムによって実施され得ることにも留意されたい。

本発明の様々な実施形態の説明は、例証の目的のために提示されているが、徹底的であること、または本明細書内で論じられる実施形態に限定されることを意図されない。多くの修正形態および変形形態は、説明された実施形態の範囲および思想から逸脱することなく当業者には明らかであるものとする。本明細書で使用される専門用語は、実施形態の原理、実際的応用、もしくは市場で見られる技術に対する技術的改善を最もよく説明するため、または、本明細書内で論じられる実施形態を当業者か理解することができるように選択された。

Claims (16)

1. マイクロ波検出デバイスであって、
   量子非破壊マイクロ波光子検出器と、
   前記量子非破壊マイクロ波光子検出器に結合された直交マイクロ波ハイブリッド結合器と、
   前記直交マイクロ波ハイブリッド結合器に結合された分散非線形素子と
   を備える、マイクロ波検出デバイス。
2. 前記分散非線形素子が、マイクロ波光子の検出を示す電圧状態に切り替わるように構成される、請求項１に記載のマイクロ波検出デバイス。
3. 前記電圧状態が、前記分散非線形素子にわたって電圧降下があることに相当する、請求項２に記載のマイクロ波検出デバイス。
4. 前記分散非線形素子が、マイクロ波光子の非検出を示すゼロ電圧状態であるように構成される、請求項１に記載のマイクロ波検出デバイス。
5. 前記ゼロ電圧状態が、前記分散非線形素子にわたって電圧降下がないことに相当する、請求項４に記載のマイクロ波検出デバイス。
6. 前記分散非線形素子がジョセフソン接合である、請求項１に記載のマイクロ波検出デバイス。
7. 前記分散非線形素子が、直流（ＤＣ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）である、請求項１に記載のマイクロ波検出デバイス。
8. アイソレータが、前記直交マイクロ波ハイブリッド結合器と前記分散非線形素子との間に接続される、請求項１に記載のマイクロ波検出デバイス。
9. 前記量子非破壊マイクロ波光子検出器が、マイクロ波信号およびポンプ信号を受信するように構成され、その結果として、前記分散非線形素子が、電圧状態に切り替わり、それにより前記マイクロ波信号内のマイクロ波光子を検出する、請求項７に記載のマイクロ波検出デバイス。
10. 前記分散非線形素子にわたって非ゼロ電圧を測定することによってマイクロ波光子を検出するように構成された測定デバイスをさらに備える、請求項１に記載のマイクロ波検出デバイス。
11. マイクロ波検出デバイスを形成する方法であって、
    量子非破壊マイクロ波光子検出器を提供することと、
    前記量子非破壊マイクロ波光子検出器に接続された直交マイクロ波ハイブリッド結合器を提供することと、
    前記直交マイクロ波ハイブリッド結合器に結合された分散非線形素子を提供することと
    を含む、マイクロ波検出デバイスを形成する方法。
12. マイクロ波光子を検出する方法であって、
    直交マイクロ波ハイブリッド結合器により、量子非破壊マイクロ波デバイスから反射マイクロ波信号を受信することと、
    電圧状態にある分散非線形素子に基づいて前記マイクロ波光子の存在を決定することであって、前記分散非線形素子が前記直交マイクロ波ハイブリッド結合器に結合されている、前記決定することと
    を含む、マイクロ波光子を検出する方法。
13. 前記マイクロ波光子が、量子マイクロ波信号内で前記量子非破壊マイクロ波デバイスに入力されている、請求項１２に記載の方法。
14. 前記直交マイクロ波ハイブリッド結合器が、前記反射マイクロ波信号の部分を前記分散非線形素子に出力する、請求項１２に記載の方法。
15. マイクロ波光子の不在を検出する方法であって、
    直交マイクロ波ハイブリッド結合器により、量子非破壊マイクロ波デバイスから反射マイクロ波信号を受信することと、
    ゼロ電圧状態にある分散非線形素子に基づいて前記マイクロ波光子の前記不在を決定することであって、前記分散非線形素子が前記直交マイクロ波ハイブリッド結合器に結合されている、前記決定することと
    を含む、マイクロ波光子の不在を検出する方法。
16. 前記ゼロ電圧状態にある前記分散非線形素子が、量子源から前記量子非破壊マイクロ波デバイスに入力されるマイクロ波光子がないことを示す、請求項１５に記載の方法。
    

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