行波约瑟夫森器件中反向传播信号的混频：可重构微波隔离与耦合新机制

《Nature Communications》：Mixing of counterpropagating signals in a traveling-wave Josephson device

本刊编辑推荐：为解决超导电路中非互易微波信号处理的难题，研究团队在行波约瑟夫森器件中实现了反向传播信号的参数混频。通过设计双模传输线结构（Σ模和Δ模），利用慢速泵浦波（vP? vS,I）实现了相位匹配的频率转换，成功构建了可重构隔离器（隔离度>10 dB）和可调耦合器（带宽200 MHz）。该工作为量子计算中的微波路由提供了创新解决方案，其工作频率可通过泵浦频率在5-8.5 GHz范围内原位调节。

　　

在量子技术飞速发展的今天，超导量子电路已成为实现量子计算的重要平台。然而，一个长期存在的技术瓶颈一直困扰着研究人员：如何高效地控制和路由微波信号？传统的光学系统中，光波在真空中不会相互影响，但在非线性介质中却能发生混频。类似地，在微波领域，强大的泵浦波可以通过参数过程转换较弱信号的频率，但这需要满足严格的能量和动量守恒条件。通常情况下，这种转换要求所有波沿相同方向以可比较的相速度传播，这大大限制了设备的灵活性和性能。

现有的行波参数转换器（TWPC）虽然能够实现非互易信号传输，但面临着设计复杂和隔离度有限的双重挑战。更棘手的是，要实现信号到闲频信号的完全转换，必须精确调整非线性介质的长度和泵浦幅度，这在实际应用中极为困难。正是为了解决这些根本性问题，来自法国巴黎高等师范大学物理实验室的M. Praquin等研究人员开展了一项创新性研究，其成果近期发表在《Nature Communications》上。

研究人员独辟蹊径，探索了一种全新的行波转换机制：让信号和闲频波反向传播。这一巧妙设计使得输入信号在传播过程中被指数衰减，从而实现芯片级微波隔离功能，并且可以重构为可逆、可调谐的耦合器。该设备的操作模式和工作频率可以在宽微波范围内原位选择，为超导量子电路中的微波信号处理提供了前所未有的灵活性。

研究团队主要通过以下关键技术方法实现突破：设计并制备了包含400个相同单元的集总电路元件微波传输线，该线路嵌入两种传播速度不同的模式（Σ模和Δ模）；利用约瑟夫森结（电感L_J=0.94 nH）支持双模电流从而实现波混频；通过选择性寻址结构（混合耦合器和锥形阻抗变换器）实现模式分离和最小化杂散反射；采用参数化泵浦控制技术，通过调节泵浦频率和幅度实现过程的可重构性。

器件设计与工作原理

研究团队设计了一种创新的双模传输线结构，该器件由400个相同单元串联而成，形成两个共面超导电极，并通过约瑟夫森结（绿色十字交叉）进行掺杂。每个单元中，电极之间通过电容（红色电容器）相互耦合，同时与接地参考平面（蓝色电容器）相连。这种对称性设计使传输线嵌入两种传播模式：共模（Σ）和差模（Δ），两者都支持通过约瑟夫森结的电流。泵浦波在Δ模上传播，并通过大内部电容器减速；探测信号在更快的Σ模上传播。

传输特性与相位匹配验证

研究人员首先探测了在连续泵浦波作用下Σ模的传输特性。当从右Δ端口施加泵浦时，前向和后向传输系数的大小随泵浦频率ω_pump和探测频率ω_probe的变化显示出明显的传输缺口（蓝色线条），这表明相位匹配的转换过程正在发生。循环过程（图中标记为Ci）对应于左到右传输中的最左侧特征（信号到闲频上转换）和右到左传输中的底部特征（闲频到信号下转换）。由于器件单元细胞的离散性，这些特征在高频处弯曲，这与传播模式的色散预期一致。

器件性能表征

研究团队通过记录探测衰减随施加泵浦幅度的变化，进一步表征了器件的非互易隔离和可调耦合性能。低频循环过程（图3前向传输中标记为Ci）由4.63 GHz的泵浦激活，产生了从左到右端口的期望衰减（深红色圆圈）和由于泵浦反射导致的相反方向的残余衰减（浅红色菱形）。可调耦合过程由2.6 GHz的泵浦激活，相应的衰减用绿色方块表示。引人注目的是，所有衰减都随施加的泵浦幅度呈指数缩放，这与图1中简单的三波模型定性一致。

在临界泵浦幅度下测量的衰减显示，该器件在5-8.5 GHz频带内实现了约10 dB的隔离度（定义为前向与后向衰减之比），在7-8.5 GHz频带内达到约20 dB。用作可调耦合器时，在7-12 GHz频带内传输的开/关比达到10 dB至20 dB。这些性能指标是在器件存在缺陷的情况下实现的——其中一个约瑟夫森结开路，导致泵浦在Δ传播模式上以-2 dB水平反射，并以-4 dB水平泄漏到Σ模式。

研究结论与意义

本研究探索了一种行波参数转换的新机制，通过让信号和闲频波反向传播，利用慢速传播的泵浦波实现相位匹配，导致输入信号沿器件传播时呈指数衰减。该设备的突出优势在于其可重构性：通过调节泵浦频率，工作频率可在宽范围内调谐；通过从单端口或双端口施加泵浦波，转换过程可设置为互易或非互易。

尽管器件中部存在缺陷反射波，这种基于集总电容和约瑟夫森结的双模传输线实现仍在带宽和隔离度方面接近最先进的芯片隔离器性能。研究人员指出，通过改进制造工艺控制，可以进一步延长传输线的电长度，将其截止频率推向更高值，并在限制杂散反射的同时增加动态范围。

这项工作的意义远超出一个单一器件的演示。稳健的芯片隔离器和可调耦合器与标准制造技术兼容，将有益于中等和大规模超导电路架构。特别是，本研究探讨的循环过程可与标准行波放大相结合，实现全向量子极限放大器的长期目标。另一个令人兴奋的应用是模拟强磁场下的凝聚态物质系统。具有非互易性的多模超导电路可以展示非平凡相，最近有人提出利用双模非互易电路实现完全保护的量子比特。

该研究为超导量子电路中微波信号处理提供了创新解决方案，通过简单的设计实现了高性能的非互易传输和可调耦合功能，为未来大规模量子处理器的集成铺平了道路。随着制造工艺的进一步优化和设计创新，这类器件有望在量子计算、量子模拟和微波光子学等领域发挥重要作用。