[論文レビュー] High-gain weakly nonlinear flux-modulated Josephson parametric amplifier using a SQUID-array

Xin Zhou, Vivien Schmitt+5 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 19, 2014

Advanced Electrical Measurement Techniques被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、非線形性を低減し、飽和入力電力を向上させるために8-SQUIDアレイを用いた高利得、弱い非線形性を示すフラックス変調型ジョセフソンパラメトリック増幅器を提案する。SQUIDアレイを共振器周波数の2倍の周波数でパラメトリックポンプすることで、31 dBの利得、20 dB利得における1 dB圧縮点が−123 dBmに達し、利得帯域幅積は60 MHzを超える。これは、単一SQUID設計と比較して動的範囲が向上したことを示している。

ABSTRACT

We have developed and measured a high-gain quantum-limited microwave parametric amplifier based on a superconducting lumped LC resonator with the inductor L including an array of 8 superconducting quantum interference devices (SQUIDs). This amplifier is parametrically pumped by modulating the flux threading the SQUIDs at twice the resonator frequency. Around 5 GHz, a maximum gain of 31 dB, a product amplitude-gain x bandwidth above 60 MHz, and a 1 dB compression point of -123 dBm at 20 dB gain are obtained in the non-degenerate mode of operation. Phase sensitive amplification-deamplification is also measured in the degenerate mode and yields a maximum gain of 37 dB. The compression point obtained is 18 dB above what would be obtained with a single SQUID of the same inductance, due to the smaller nonlinearity of the SQUID array.

研究の動機と目的

• 非線形性を低減することで利得の飽和を抑える、真にパラメトリックなジョセフソンパラメトリック増幅器の開発。
• 単一SQUIDではなくSQUIDアレイを用いることで、非線形性のスケーリングに従い、飽和入力電力を向上させる。
• 量子読み出し応用に適した量子限界に近い動作を実現しつつ、高利得かつ広帯域を達成する。
• SQUIDアレイを用いた弱い非線形性を示すフラックス変調型LC共振器におけるパラメトリック増幅の理論モデルを検証する。

提案手法

• インダクタンスを8つの超伝導量子干渉デバイス（SQUID）アレイで実装した集中定数LC共振器に基づく増幅器。
• パラメトリック増幅は、SQUIDアレイを共振器周波数の2倍の周波数（ωP ≈ 2ωR）でフラックス変調することで実現され、3波混合（ωP = ωS + ωI）を可能にする。
• ジョセフソンインダクタンスを複数のSQUIDに分散させることで非線形性を低減し、参加比pを小さくし、高次非線形性を抑制する。
• 理論的モデリングには、パラメトリックポンプを含む非線形オシレータ方程式を用い、ジョセフソン非線形性項α1 ∝ p³/N²と減衰Γa = ωR/(2Q)を含む。
• 実験的特性評価では、非縮退モードおよび縮退モードの両方で利得、帯域幅、圧縮点を測定し、線形化理論と比較する。
• ポンプおよび信号電力は±1 dBの不確実性でキャリブレーションされ、理論予測と一致させるためにデータに±0.8 dB（信号）および−1.0 dB（ポンプ）の補正が加えられている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラックス変調型ジョセフソンパラメトリック増幅器において、単一SQUIDではなくSQUIDアレイを用いることで、非線形性および飽和入力電力にどのような影響を与えるか？
• RQ2 弱い非線形性を示すパラメトリック増幅器において、線形モデルが利得、帯域幅、1 dB圧縮点をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 利得帯域幅積および動的範囲を最適化する上で、Q値、参加比p、アレイサイズNの間のトレードオフはどのようなものか？
• RQ4 信号ラインにポンプ漏れのない真のパラメトリック増幅器は、最先端のJPAと同等の性能を達成しつつ、より高い入力電力対応が可能か？

主な発見

• 非縮退モードにおいて5 GHzで最大31 dBの利得を達成し、利得と帯域幅の積が60 MHzを超える。
• 20 dB利得における1 dB圧縮点は−123 dBmであり、同等のインダクタンスを持つ単一SQUID増幅器と比較して18 dBの改善を示す。
• 測定された利得および帯域幅は、線形理論モデルと良好に一致しており、固有の非線形性が存在するにもかかわらず、設計アプローチの妥当性が裏付けられる。
• 飽和電力はN²に比例することが確認され、SQUIDアレイが非線形性を効果的に抑制し、動的範囲を拡大していることが裏付けられる。
• 縮退モードでは位相感受性増幅により最大37 dBの利得を達成し、量子雑音圧縮の能力を示している。
• 理論的予測では、N ≈ 10、Q ≈ 10、p ≈ 0.25の条件下で、20 dB利得で−100 dBmの圧縮点および50 MHzの帯域幅が達成可能とされる。