[論文レビュー] Nonreciprocal devices based on voltage-tunable junctions

Catherine Leroux, A. Parra-Rodriguez+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、静的磁場のみを用いて非再帰的デバイスを実現するため、ハイブリッド超伝導体-半導体回路における電圧可変なフラックス-チャージ相互作用（FENNEC）を提案する。可変ジョセフソン接合を介してフラックスとチャージ自由度を結合することで、著者らは高非再帰性を達成するパass型オンチップギャラレーターを実証した。これにより、動的駆動や複雑な対称性を必要としない、将来的なコンactなサーキュレーターや量子信号ルーティング素子の実現が可能になる。

ABSTRACT

We propose to couple the flux degree of freedom of one mode with the charge degree of freedom of a second mode in a hybrid superconducting-semiconducting architecture. Nonreciprocity can arise in this architecture in the presence of external static magnetic fields alone. We leverage this property to engineer a passive on-chip gyrator, the fundamental two-port nonreciprocal device which can be used to build other nonreciprocal devices such as circulators. We analytically and numerically investigate how the nonlinearity of the interaction, circuit disorder and parasitic couplings affect the scattering response of the gyrator.

研究の動機と目的

• 動的駆動や複雑な幾何構造を必要とせず、時間反転対称性を破る非再帰的デバイスアーキテクチャの開発。
• 電圧可変ジョセフソン接合を活用し、フラックス-チャージ相互作用（FENNEC）を生成することで、回路モード間の非再帰的結合を実現すること。
• FENNEC結合に基づくパッシブオンチップギャラレーターの設計および解析を行い、量子回路の構築ブロックとしての応用を目的とすること。
• 回路の不規則性、寄生結合、非線形性といった現実的な非理想要因が非再帰的応答に与える影響の検証。

提案手法

• FENNEC相互作用は、半導体ナノワイヤ、2DEG、またはグラフェンを用いた電圧可変超伝導接合により実現され、ゲート電圧によるジョセフソンエネルギーの調整が可能である。
• フラックス-チャージ結合は、これらの接合におけるアンドレーエブ局在準位エネルギー準位の非線形性に起因し、フラックス演算子とチャージ演算子の混合二次形式相互作用を可能にする。
• 平均場解析を用いて、FENNEC結合を通じた2つの共鳴モード間の有効ハミルトニアンを導出する。
• 数値シミュレーションを実施し、系の不規則性や寄生結合を含む現実的条件下でのギャラレーターの散乱応答を評価する。
• FENNECベースのギャラレーターを用いた3ポートサーキュレーターを設計し、インピーダンス整合型LC共鳴器負荷と古典的散乱行列解析を適用する。
• 周波数領域におけるキルヒホッフの法則を用いて散乱行列を導出し、インピーダンス整合および共鳴条件の下で理想サーキュレーター動作を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的で電圧可変なフラックス-チャージ相互作用（FENNEC）は、パラメトリック駆動や時間に依存する変調を必要とせず、超伝導回路で非再帰性を生成できるか？
• RQ2 FENNEC結合の非線形性は、ギャラレーターの散乱応答および非再帰的性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 回路の不規則性および寄生結合が、非再帰的応答の忠実度と帯域幅に与える影響は何か？
• RQ4 FENNECベースのギャラレーターは、量子情報処理におけるオンチップサーキュレーターのスケーラブルな構築ブロックとして利用可能か？
• RQ5 古典的散乱行列形式において、システムがどのような条件下で理想サーキュレーター動作を達成するか？

主な発見

• FENNEC結合により、動的駆動を不要とし、静的磁場と電圧可変接合のみを用いて超伝導回路における非再帰性を実現可能である。
• 提案されたギャラレーターは、インピーダンス整合および共鳴条件の下で、理想サーキュレーター行列に近づく散乱行列応答を達成する：S → [[0,1,0],[0,0,-1],[1,0,0]]。
• 数値シミュレーションにより、非再帰的応答が中程度の回路不規則性および寄生結合に対しても頑健であることが確認された。
• FENNEC相互作用の非線形性は、散乱応答に高次補正を導入するが、これらはインピーダンスおよび量子抵抗スケールによって制限される。
• モードインピーダンスが抵抗量子 R_Q ≈ 6.5 kΩ を含む特定の制約を満たす場合、有効ハミルトニアンの誤差項が小さいことが示された。
• 本設計により、FENNECベースのギャラレーターを用いたパッシブでオンチップ実装可能な3ポートサーキュレーターが実現可能であり、量子コンputングアーキテクチャへの統合に適している。