[論文レビュー] A near-ideal degenerate parametric amplifier

Daniel J. Parker, Mykhailo Savytskyi+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 16被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、NbTiN薄膜における運動的インダクタンスに基づく近似的に理想の非線形パラメトリック増幅器（KIPA）を提案し、ジョセフソン接合に基づくDPAsと比較して動的範囲が4桁高い性能を達成した。50 dBの位相感受性増幅、ほぼ量子制限に近いノイズ性能（0.32(3) 入力換算光子）、およびコherent状態の26 dBのデアマプラフィケーションを実証し、量子制限のマイクロ波測定に優れたスケーリング可能性を示した。

ABSTRACT

Degenerate parametric amplifiers (DPAs) exhibit the unique property of phase-sensitive gain and can be used to noiselessly amplify small signals or squeeze field fluctuations beneath the vacuum level. In the microwave domain, these amplifiers have been utilized to measure qubits in elementary quantum processors, search for dark matter, facilitate high-sensitivity spin resonance spectroscopy and have even been proposed as the building blocks for a measurement based quantum computer. Until now, microwave DPAs have almost exclusively been made from nonlinear Josephson junctions, which exhibit high-order nonlinearities that limit their dynamic range and squeezing potential. In this work we investigate a new microwave DPA that exploits a nonlinearity engineered from kinetic inductance. The device has a simple design and displays a dynamic range that is four orders of magnitude greater than state-of-the-art Josephson DPAs. We measure phase sensitive gains up to 50 dB and demonstrate a near-quantum-limited noise performance. Additionally, we show that the higher-order nonlinearities that limit other microwave DPAs are almost non-existent for this amplifier, which allows us to demonstrate its exceptional squeezing potential by measuring the deamplification of coherent states by as much as 26 dB.

研究の動機と目的

• 既存のジョセフソン接合ベースの設計と比較して、大幅に向上した動的範囲と低減された高次非線形性を有するマイクロ波パラメトリック増幅器の開発。
• 高精度な量子信号検出のための位相感受性増幅器において、ほぼ量子制限のノイズ性能を達成すること。
• コherent状態の最大26 dBのデアマプラフィケーションを実証し、測定ベース量子計算のフォールトトレランス閾値に近い優れたスケーリング能力を示すこと。
• スケーラブルで高Qファクターなプラットフォームとして、運動的インダクタンスベースの共振器を用いた量子制限増幅および非ガウス状態工学の可能性の検討。

提案手法

• 高運動的インダクタンスを有する薄膜NbTiN共振器を用い、ジョセフソン接合に依存せず、特徴的な非線形性を生成することで増幅器を実装した。
• デグレーディングパラメトリック増幅器（DPA）として動作させ、信号周波数ω₀における増幅を、2ω₀のポンプ周波数を用いて位相感受性増幅を誘発した。信号とポンプはバイアステーおよびディプレクサを介し、20 mKで結合された。
• 入出力理論を用いたモデル化により、実験データと良好な一致を示し、最小限の追加ノイズを伴う理想DPAとしての挙動を確認した。
• スケーリング性能は、コherent状態のデアマプラフィケーションを測定することで評価され、最大30 dBの増幅レベルを用いてスケーリング変換をマッピングした。
• ノイズパラメータは、増幅率の関数として増幅器のノイズ温度を測定し、理論モデルにフィッティングすることで、入力換算ノイズと損失寄与を抽出した。
• サイクロトロンとホモダイン検出を統合した冷却環境下の装置により、室温で位相感受性増幅およびノイズ性能の高精度な測定が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動的インダクタンスベースのマイクロ波DPAは、最先端のジョセフソンベースDPAと比較して、4桁高い動的範囲を達成できるか？
• RQ2 KIPAにおける高次非線形性の欠如が、従来のジョセフソンベース増幅器と比較して、優れたスケーリング性能を実現する程度はどの程度か？
• RQ3 KIPAは、入力換算ノイズが0.25光子の量子限界に近づく位相感受性モードで、ほぼ量子制限のノイズ性能を達成できるか？
• RQ4 運動的インダクタンスベースのDPAで達成可能な最大のデアマプラフィケーション（スケーリング）レベルは何か？また、測定ベース量子計算のためのフォールトトレランス閾値（17 dB）を超えるか？

主な発見

• KIPAは、20 dBの増幅で1 dB圧縮点が-69.5 dBmを示し、最先端のジョセフソンベースDPAと比較して動的範囲が4桁高い。
• 増幅器は最大50 dBの位相感受性増幅を示し、入力換算ノイズが0.32(3)光子に達し、0.25光子の量子限界に近づいた。
• コherent状態の26 dBのデアマプラフィケーションを達成し、優れたスケーリング可能性を示し、内部損失の兆候は観測されなかった。
• 理論的モデル化により、装置が理想DPAとして動作することが確認され、入出力理論と実験データの一致が良好であった。
• NbTiN共振器の内部Qファクターは10⁶を超えると推定され、スケーリングレベルがすでに測定ベース量子計算の17 dBフォールトトレランス閾値を超えていた可能性を示唆した。
• 高い動的範囲と低ノイズの特性を有するため、電子スピン共鳴分光法やその他の高感度量子測定への応用が強く期待される。