[論文レビュー] Flux-driven Josephson parametric amplifier

Tsuyoshi Yamamoto, K. Inomata+6 more|ArXiv.org|Aug 10, 2008

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 25

ひとこと要約

本論文では、dc SQUIDで終端された超伝導平面波ガイド共振器を用いたフラックス駆動型ジョセフソンパラメトリック増幅器を提案する。20 GHz付近のマイクロ波ポンプ信号がSQUIDを通過する磁束を変調することで、10 GHz付近の信号をパラメトリック増幅する。増幅器は最大17 dBの利得を達成し、0.87 K未満のノイズ温度を実現し、バンド中心のチューナブル性と位相依存の増幅／減衰特性を示した。

ABSTRACT

We have developed a Josephson parametric amplifier, comprising a superconducting coplanar waveguide resonator terminated by a dc SQUID (superconducting quantum interference device). An external field (the pump, $\sim 20$ GHz) modulates the flux threading the dc SQUID, and, thereby, the resonant frequency of the cavity field (the signal, $\sim 10$ GHz), which leads to parametric signal amplification. We operated the amplifier at different band centers, and observed amplification (17 dB at maximum) and deamplification depending on the relative phase between the pump and the signal. The noise temperature is estimated to be less than 0.87 K.

研究の動機と目的

• 量子情報システムにおける柔軟な運用を可能にする、広範囲にチューナブルなバンド中心を有するジョセフソンパラメトリック増幅器の開発。
• 直接電流バイアスを必要としないdc SQUIDのフラックス変調により、パラメトリック増幅と減衰を実証すること。
• 感度の高い量子測定に適した低ノイズ温度を実現し、量子制限性能を達成すること。
• 誘導結合を用いてポンプ周波数と信号周波数を分離し、ポンプ漏れを最小限に抑えること。

提案手法

• 共振周波数は外部dc磁束バイアスによって制御される超伝導平面波ガイド共振器をdc SQUIDで終端した構成を採用する。
• 信号周波数の約2倍の周波数（20 GHz）のマイクロ波ポンプをSQUIDループに印加し、磁束を変調することで、10 GHz付近の信号をパラメトリック増幅する。
• キャビティの共振周波数がポンプ周波数で動的に変調され、ジョセフソンインダクタンスにおける時間変化する非線形性によってパラメトリック利得が得られる。
• ポンプと信号は異なるポートに結合されており、20 GHz付近に二次的な共鳴が存在しないため、ポンプが信号路に漏れ込むのを抑える。
• システムは30 mKのデュアル冷却器で動作させ、信号と利得は方向性 coupler および冷媒内に設置されたHEMT増幅器を用いて測定する。
• ノイズ温度は、システム損失とHEMT増幅器のノイズを補正した上で、信号利得とバックグラウンドノイズレベルを比較することで推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラックス駆動型ジョセフソンパラメトリック増幅器は、広範囲なバンド中心のチューニングを可能にしつつ、高利得と低ノイズ温度を実現できるか？
• RQ2 ポンプと信号のキャリア間の相対位相が、フラックス駆動方式における増幅および減衰にどのように影響するか？
• RQ3 ジョセフソン接合の非線形性が原因で、高入力信号パワー下での増幅器性能がどの程度劣化するか？
• RQ4 固定バンド中心における増幅器の実現可能帯域幅とダイナミックレンジは何か？また、デバイスパラメータにどのように依存するか？

主な発見

• バンド中心を10.00 GHzに設定した場合、最大17 dBの利得を達成した。信号周波数は10.00 GHz、ポンプ周波数は20.00 GHzであった。
• バンド中心を10.78 GHzに設定した場合、14 dBの利得が測定された。利得は信号キャリアの位相に対して周期πで依存する。
• 特定の位相値で減衰（負の利得）が観測され、増幅器におけるノイズ圧縮の可能性が裏付けられた。
• ノイズ温度は0.87 K未満であると推定され、近似的に量子制限性能を達成していることが示された。
• 固定バンド中心における増幅器の帯域幅は約20 MHzであり、キャビティの線幅と整合的であった。
• 高入力信号パワー（>−120 dBm）では、利得応答が歪み、ヒステリシス的になることが観測され、ジョセフソン接合の非線形飽和効果が原因であると示された。