[論文レビュー] Quantum Dot-Based Parametric Amplifiers

Laurence Cochrane, Theodor Lundberg+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 24被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、CMOSナノワイヤートランジスタにおけるシリコン二重量子ドットの量子キャパシタンスを、損失のない非線形素子として用いた量子ドットベースのパラメトリック増幅器（QDPA）の提案と実証を行う。1.8 GHzの超伝導キャパシタで位相に依存するパラメトリック利得を−3〜+3 dBの範囲で達成し、半導体統合性と磁場耐性に優れる、ジョセフソン接合ベースのパラメトリック増幅器とは補完的な代替手段を提供する。

ABSTRACT

Josephson parametric amplifiers (JPAs) approaching quantum-limited noise performance have been instrumental in enabling high fidelity readout of superconducting qubits and, recently, semiconductor quantum dots (QDs). We propose that the quantum capacitance arising in electronic two-level systems (the dual of Josephson inductance) can provide an alternative dissipation-less non-linear element for parametric amplification. We experimentally demonstrate phase-sensitive parametric amplification using a QD-reservoir electron transition in a CMOS nanowire split-gate transistor embedded in a 1.8~GHz superconducting lumped-element microwave cavity, achieving parametric gains of -3 to +3 dB, limited by Sisyphus dissipation. Using a semi-classical model, we find an optimised design within current technological capabilities could achieve gains and bandwidths comparable to JPAs, while providing complementary specifications with respect to integration in semiconductor platforms or operation at higher magnetic fields.

研究の動機と目的

• 半導体量子ドットにおける量子キャパシタンスに基づく、損失のない非線形素子の開発を目的とする。
• 半導体ベースの量子コンピューティングプラットフォームと互換性のある、低ノイズで高精度なマイクロ波増幅を実現することを目的とする。
• 磁場に強く、CMOS技術と統合可能なジョセフソン接合ベースのパラメトリック増幅器の代替手段を検討することを目的とする。
• 超伝導マイクロ波キャパシタ内における量子ドット-リザボア遷移を用いて、位相に依存するパラメトリック増幅を実証することを目的とする。

提案手法

• スプリットゲートフィールド効果トランジスタを用いて、リザボアに結合された二重量子ドットを定義する。
• 量子ドットとリザボア間の周期的電子トンネルが生じる量子キャパシタンスを、非線形リアクティブ素子として用いる。
• 共振増幅を実現するため、量子ドットを1.8 GHzの超伝導ラumped-エレメントマイクロ波キャパシタに埋め込む。
• 利得と帯域幅の最適設計パrameterを予測するため、半古典的モデルを用いる。
• 信号モードとアイドルモード間のエネルギー交換を媒介するため、マイクロ波ポンピングをωp = ωs + ωiで行う。
• 冷却された増幅、I/Q復調、スペクトル解析を用いて信号を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体量子ドットにおける量子キャパシタンスは、パラメトリック増幅に適した、実用的で損失のない非線形素子として成立するか？
• RQ2 現在の技術的制約下で、QDベースの増幅器が達成可能なパラメトリック利得と帯域幅はどの程度か？
• RQ3 ノイズ性能と統合性の観点から、QDPAはジョセフソン接合ベースの増幅器と比較してどの程度優れるか？
• RQ4 JJベースの増幅器と比較して、QDPAは磁場に対してどの程度耐性を示すか？
• RQ5 シシフス散逸はQDPAの性能を制限する要因となり得るか？また、その影響をどのように軽減できるか？

主な発見

• QDPAは、シシフス散逸によって制限を受けるが、−3 dB〜+3 dBの位相に依存するパラメトリック利得を達成した。
• 測定された利得は、現在のプロセス能力内で最適性能を予測する半古典的モデルと整合的である。
• 量子ドットの量子キャパシタンスは、パラメトリック増幅に適した、調整可能で非損失の非線形リアクタンスを提供する。
• デバイスは1.8 GHzの超伝導キャパシタで動作し、既存のマイクロ波量子アーキテクチャと互換性があることを示した。
• CMOS互換性と磁場耐性を有するため、半導体量子コンピューティングプラットフォームへの統合可能性に期待が持てる。
• シシフス散逸は、最大利得を制限する主な制限要因であると特定された。