[論文レビュー] An integrated Josephson circulator and directional amplifier: the triple-pumped JPC

Katrina Sliwa, Michael Hatridge+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、三重ポンプ駆動によるジョセフソンパラメトリックコンバータ（JPC）を用いて、方向性増幅器およびサーキュレータの両方の機能を果たす1つの超伝導マイクロ波回路を実証している。ポンプ条件を調整することで、デバイスはモード間を動的に切り替えられ、増幅モードでは量子制限のノイズ性能を達成し、サーキュレータモードでは完全に逆転可能な循環を実現する。これにより、再構成可能で低損失なオンチップ非再帰的信号処理が可能となる。

ABSTRACT

Circulators and directional amplifiers are crucial non-reciprocal signal routing and processing components involved in microwave readout chains for a variety of applications. They are particularly important in the field of superconducting quantum information, where the devices also need to have minimal photon losses to preserve the quantum coherence of signals. Conventional commercial implementations of each device suffer from losses and are built from very different physical principles, which has led to separate strategies for the construction of their quantum-limited versions. However, as recently proposed theoretically, by establishing simultaneous pairwise conversion and/or gain processes between three modes of a Josephson-junction based superconducting microwave circuit, it is possible to endow the circuit with the functions of either a phase-preserving directional amplifier or a circulator. Here, we experimentally demonstrate these two modes of operation of the same circuit. Furthermore, in the directional amplifier mode, we show that the noise performance is comparable to standard non-directional superconducting amplifiers, while in the circulator mode, we show that the sense of circulation is fully reversible. Our device is far simpler in both modes of operation than previous proposals and implementations, requiring only three microwave pumps. It offers the advantage of flexibility, as it can dynamically switch between modes of operation as its pump conditions are changed. Moreover, by demonstrating that a single three-wave process yields non-reciprocal devices with reconfigurable functions, our work breaks the ground for the development of future, more-complex directional circuits, and has excellent prospects for on-chip integration.

研究の動機と目的

• 1つの超伝導マイクロ波回路にサーキュレータと方向性増幅器の機能を統合すること。
• 従来のデバイスが高い損失を示し、異なる物理的原理に基づいているという制限を克服すること。
• ジョセフソン接合回路における1つの三波混合プロセスが、再構成可能な機能を有する非再帰的動作を実現できることを示すこと。
• 増幅モードでは量子制限のノイズ性能を達成するとともに、量子コherenecyを保つために低光子損失を維持すること。
• ポンプ条件を調整することで、サーキュレータモードと増幅モードとの間を動的に切り替えられること。

提案手法

• 非線形パラメトリック過程を介して3つのマイクロ波モードが結合されたジョセフソン接合素子を用いた超伝導マイクロ波回路を用いる。
• 3つの独立したマイクロ波ポンプを印加し、3つのモード間で同時に対ごとの変換および/または増幅を誘発する。
• ポンプ周波数と振幅を設計して、信号の流れの方向性と増幅率を制御し、増幅または循環の両方を可能にする。
• ジョセフソン接合の非線形性を活用して、時間反転対称性を破る三波混合プロセスを実現し、非再帰的動作を可能にする。
• 回路を2つの異なる動作状態に設定する：1つは位相保存増幅を優遇し、もう1つは方向性信号ルーティングを優遇する。
• ポンプ条件を変化させた際のノイズ性能と循環方向性の実験的評価を通じて、デバイスの機能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのジョセフソン接合ベースの回路が、共通の物理的メカニズムを用いて、方向性増幅とサーキュレータの両方の機能を同時に果たすことができるか？
• RQ2 方向性増幅モードにおけるデバイスのノイズ性能は、標準的な非方向性超伝導増幅器と比べてどうか？
• RQ3 ポンプパラメータを調整することで、デバイス内の循環方向を動的に反転させることができるか？
• RQ4 同じ回路構造が、構造的変更なしに増幅モードとサーキュレータモードの間でどの程度再構成可能か？
• RQ5 三波混合プロセスが、最小限の光子損失で非再帰的動作を実現する役割を果たすのはどの程度か？

主な発見

• 同じ物理的回路が、標準的な非方向性超伝導増幅器と同等のノイズ性能を持つ方向性増幅器として機能している。
• サーキュレータモードでは、完全に逆転可能な循環が実現されており、ポンプ条件の調整によって循環方向を制御可能である。
• デバイスは低光子損失を達成しており、これは超伝導量子情報技術において量子コherenceを保つために不可欠である。
• 本回路は3つのマイクロ波ポンプでの駆動で十分であり、従来の非再帰的デバイスの提案に比べてはるかに単純である。
• ポンプ周波数と振幅を調整することで、増幅モードとサーキュレータモードとの間を動的に切り替えられており、機能の再構成可能性が実証された。
• 実験結果から、1つの三波混合プロセスが非再帰的増幅とルーティングの両方を実現でき、方向性マイクロ波回路のオンチップ統合に新たな道筋を提供することが確認された。