[論文レビュー] Fast and Ultrasensitive Electrometer Operating at the Single-Photon Level

B. L. Brock, Juliang Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 55被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、16 aWのマイクロ波パワーでの動作を実現し、14 µe/√Hzの最小感度と約1 MHzの帯域幅を達成するキャビティ埋め込みコープァー対トランジスタ（cCPT）を提案する。このデバイスは、量子限界の5倍以内で動作し、量子オプトメカニカル系に適した超感受性で低バックアクションの電気計測を可能にする。

ABSTRACT

We demonstrate fast and ultrasensitive charge detection with a cavity-embedded Cooper pair transistor (cCPT) via dispersive readout of its Josephson inductance. We report a minimum charge sensitivity of $14$ $\mu e/\sqrt{\mathrm{Hz}}$ with a detection bandwidth on the order of $1$ MHz using $16$ attowatts of power, corresponding to the single-photon level of the cavity. In addition, our measured sensitivities are within a factor of $5$ of the quantum limit for this device. The single-photon-level sensitivity of the cCPT is comparable to that of the rf-SET, which typically operates using picowatts of power corresponding to hundreds of thousands of photons in its tank circuit. Our results support the feasibility of using the cCPT to mediate an optomechanical interaction that reaches the single-photon strong coupling regime.

研究の動機と目的

• 単一光子レベルで動作する高速かつ超感受性の電流計を開発し、低バックアクションの量子測定を可能にする。
• キャビティ埋め込みコープァー対トランジスタ（cCPT）を用いて、量子限界に近い電荷検出感度を達成する。
• cCPTにおけるジョセフソンインダクタンスの分散的読み出しを実証し、高精度で低パワーの電荷センシングを実現する。
• cCPTがオプトメカニカル系において単一光子レベルの強い結合を媒介可能かどうかを検討する。
• 単一光子パワーで動作させることで測定のバックアクションを最小限に抑え、近似的に量子限界に達する増幅器と互換性を持つ。

提案手法

• コープァー対トランジスタ（CPT）島のゲート電荷および外部フラックスによってジョセフソンインダクタンスを調整し、キャビティの共振周波数を変調するキャビティ埋め込みコープァー対トランジスタ（cCPT）を用いる。
• マイクロ波の分散的反射率測定を用い、キャビティ共振周波数の変化をCPT島のゲート電荷にエンコードする。
• 16 aWのマイクロ波パワーでシステムを動作させ、キャビティ内での単一光子レベルに対応させ、測定のバックアクションを最小限に抑える。
• ゲート電荷の変化に伴うキャビティ周波数の微分応答を測定し、光子ショットノイズ限界から感度を導出する。
• 単一光子ショットノイズに基づく理論モデルを用い、cCPTの理論的量子限界感度を予測する。
• 5135 µmのλ/4共面波ガイドキャビティ（全幅1.4 MHz、固有周波数5.76 GHz）を用いてデバイスを特徴づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ埋め込みコープァー対トランジスタは、キャビティ内の単一光子レベルで電荷感度を達成できるか？
• RQ2 cCPTの測定感度は、理論的量子限界にどの程度近いか？
• RQ3 単一光子パワーで動作する際の性能を制限する主なノイズ源は何か？
• RQ4 cCPTは単一光子レベルでオプトメカニカル系における強い結合を媒介できるか？
• RQ5 準粒子汚染およびデバイスの非線形性が、理想的な量子限界に比べて性能をどの程度低下させるか？

主な発見

• cCPTは、約1 MHzの検出帯域幅で最小14 µe/√Hzの電荷感度を達成した。
• デバイスは16 aWのマイクロ波パワーでのみ動作し、キャビティ内での単一光子レベルに対応しており、測定のバックアクションを最小限に抑える。
• 測定感度は理論的量子限界の5倍以内であり、周波数ノイズ、増幅器ノイズ、デバイスの非線形性がその差の原因とされる。
• 準粒子汚染により、理論的最適動作点に到達できないことが判明し、最適化されたサンプルでは0.4 µe/√Hzまでの感度が達成可能であると示唆された。
• 結果は、cCPTがオプトメカニカル系において単一光子強い結合状態に到達可能であることを支持する。
• rf-SETと比較して、cCPTはパワー効率に優れ、rf-SETがピコワットレベルで動作するのに対し、cCPTは単一光子レベルで動作する。