[論文レビュー] Quantum-limited amplification without instability

A. Metelmann, O. Lanes+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、動的不安定性に依存せずに量子限界利得を達成する、新しいクラスの量子パラメトリック増幅器を提案する。安定系における数を保存するボゴリューボフモードを用い、スリッピング光子ダイナミクスに起因する根本的な利得帯域幅独立性を実証した。実験的に、反射ゼロおよび送信における理想単一モードスリッピングを達成した超伝導回路で実現された。

ABSTRACT

Quantum parametric amplifiers typically generate by operating in proximity to a point of dynamical instability. We consider an alternate general strategy where quantum-limited, large-gain amplification is achieved without any proximity to a dynamical instability. Our basic mechanism (involving dynamics that conserves the number of squeezed photons) enables the design of a variety of one and two mode amplifiers that are not limited by any fundamental gain-bandwidth constraint. We focus on a particular realization that allows us to realize an ideal single-mode squeezing operation in transmission, and which has zero reflection. We present both a thorough theoretical analysis of this system (including pump-depletion effects), and also discuss results of an experimental superconducting quantum circuit implementation.

研究の動機と目的

• 動的不安定性に依存する従来のパラメトリック増幅器に内在する根本的な利得帯域幅トレードオフを克服すること。
• 臨界遅れや不安定性に起因する制限を回避する、安定で量子限界の増幅器アーキテクチャを開発すること。
• 内在的なパラメトリック設計により、反射ゼロおよび強化された帯域幅平坦性を有する理想単一モードスリッピングを実現すること。
• 不安定性を伴わない量子限界性能を達成する超伝導量子回路の実験的実装を示すこと。

提案手法

• 増幅器は、ボゴリューボフ準粒子数を保存するパラメトリック結合を持つ二モード系を用い、外部の散逸を要せず動的安定性を確保する。
• 入射する光子は入力スリッピング変換 $\hat{S}_{\text{in}}$ を通じてボゴリューボフ準粒子に変換され、数を保存するダイナミクスを経る。
• 出力は逆スリッピング変換 $\hat{S}_{\text{out}}$ により形成され、非対称性 $\hat{S}_{\text{out}} \neq \hat{S}_{\text{in}}^{-1}$ がネット増幅を引き起こす。
• 四元数基底における散乱行列は $\textbf{s}[\omega]$ と表され、周波数依存利得 $\mathcal{G}[\omega] = \mathcal{G}_Q / \left[1 + 4\omega^2/\kappa^2\right]^2$ を示し、共振周囲で平坦な利得を示す。
• 最適な非対称性によるパラメトリック利得でインピーダンス整合を実現し、$\widetilde{G} = \sqrt{\kappa_+^2 + \kappa_-^2}/2$ とし、最大利得と最小反射を確保する。
• 理論的分析にはポンプ枯渇効果とノイズスペクトル密度を含み、追加ノイズ $\bar{n}_{\text{add}} = \frac{1}{\mathcal{G}_Q}\left(\frac{1}{2} + \bar{n}^T\right)$ を示し、高利得で量子限界に近づく。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的不安定性に近接することなく、量子限界の増幅を達成できるか？
• RQ2 数を保存するボゴリューボフモード系は、パラメトリック増幅器における利得帯域幅独立性を実現できるか？
• RQ3 安定なパラメトリック増幅器は、反射ゼロおよび送信における理想単一モードスリッピングを達成できるか？
• RQ4 キャビティの崩壊レートの非対称性が増幅器性能および最適利得に与える影響は何か？
• RQ5 Roy *et al.* (2015) が報告した内在的帯域幅拡張効果は、外部インピーダンス設計なしに実現可能か？

主な発見

• 提案された増幅器は、追加ノイズ $\bar{n}_{\text{add}} = \frac{1}{\mathcal{G}_Q}\left(\frac{1}{2} + \bar{n}^T\right)$ を有し、高利得で量子限界に近づく量子限界ノイズ性能を達成する。
• ボゴリューボフモード数の保存により、根本的な利得帯域幅制約が存在せず、平坦で広帯域の利得 $\mathcal{G}[\omega] = \mathcal{G}_Q / \left[1 + 4\omega^2/\kappa^2\right]^2$ を実現する。
• インピーダンス整合条件 $\Delta_{\mathcal{C}} = 0$ で反射ゼロを達成し、これは $\widetilde{G} = \sqrt{\kappa_1\kappa_2}/2$ に対応する。
• 最適な非対称性条件 $\widetilde{G} = \sqrt{\kappa_+^2 + \kappa_-^2}/2$ が、利得を最大化し、安定性を維持するとともに反射を最小化する。
• 実験的な超伝導量子回路実装により理論的予測が確認され、不安定性を伴わず安定で高利得の増幅が実現された。
• QND型バージョンは $D_{QND} = \sqrt{\sqrt{2}-1}\kappa$ の帯域幅を達成し、OIBAの半分であるが、依然として量子限界動作を可能にする。