[論文レビュー] Traveling-wave parametric amplifier based on three-wave mixing in a Josephson metamaterial

A. B. Zorin, M. Khabipov+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2017

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ひとこと要約

本論文は、90°位相差と臨界電流の持続電流を持つフラックスバイアスSQUIDからなるジョセフソンメタマテリアルにおける三波混合を用いた広帯域の走査波パラメトリック増幅器を提案する。この設計により、最大の二次非線形性とゼロの三次非線形性が達成され、位相一致した指数関数的増幅が広帯域にわたり可能となり、4.2 Kでの概念実証実験により、Nb三層膜試料で量子制限性能を示した。

ABSTRACT

We have developed a recently proposed Josephson traveling-wave parametric amplifier with three-wave mixing [A. B. Zorin, Phys. Rev. Applied 6, 034006, 2016]. The amplifier consists of a microwave transmission line formed by a serial array of nonhysteretic one-junction SQUIDs. These SQUIDs are flux-biased in a way that the phase drops across the Josephson junctions are equal to 90 degrees and the persistent currents in the SQUID loops are equal to the Josephson critical current values. Such a one-dimensional metamaterial possesses a maximal quadratic nonlinearity and zero cubic (Kerr) nonlinearity. This property allows phase matching and exponential power gain of traveling microwaves to take place over a wide frequency range. We report the proof-of-principle experiment performed at a temperature of T = 4.2 K on Nb trilayer samples, which has demonstrated that our concept of a practical broadband Josephson parametric amplifier is valid and very promising for achieving quantum-limited operation.

研究の動機と目的

• 量子制限のマイクロ波信号検出に適した実用的で広帯域のパラメトリック増幅器の開発。
• ジョセフソンベースの増幅器における三次（Kerr）非線形性の低減により、位相一致と指数関数的増幅を可能にする。
• 非ヒステリシス的でフラックスバイアスのSQUID一维配列が最大の二次非線形性を達成できることを示す。
• Nb三層膜ジョセフソン接合を用いた低温環境下での概念実証実験による検証。
• 走査波構成における位相マッチングの設計により、広帯域動作を実現する。

提案手法

• 増幅器は、一結節SQUIDの直列配列によって形成されたマイクロ波伝送路を用いる。
• SQUIDは、各ジョセフソン接合における位相差が90°になるようにフラックスバイアスが施され、持続電流が臨界電流に等しくなる。
• このバイアス条件により、最大の二次非線形性とゼロの三次非線形性（Kerr効果）が保証される。
• 三波混合を用いて、信号波、アイドル波、ポンプ波を位相一致した状態で生成する。
• 広帯域にわたり走査波相互作用による指数関数的増幅が可能である。
• 理論的設計の検証として、4.2 KでのNb三層膜SQUID配列を用いた実験が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 設計された非線形性を持つジョセフソンメタマテリアルは、広帯域かつ位相一致したマイクロ波増幅を達成できるか？
• RQ2 SQUID配列における三次非線形性のゼロ化が指数関数的増幅と帯域拡大を可能にするか？
• RQ3 三波混合に基づく走査波パラメトリック増幅器は、量子制限のノイズ性能を有するか？
• RQ4 90°位相差を持つSQUIDベースのメタマテリアルの理論的設計は、低温環境下で実現可能で機能するか？
• RQ5 実装された状態でのこの増幅器の達成可能な増幅量と帯域幅は何か？

主な発見

• 90°位相差と臨界電流の持続電流を持つSQUID配列は、最大の二次非線形性とゼロの三次非線形性を示す。
• 設計された非線形性のおかげで、広帯域にわたり位相一致が達成される。
• 走査波構成において、マイクロ波信号の指数関数的増幅が観測された。
• 4.2 Kでの概念実証実験により、量子制限性能を有する成功した増幅が確認された。
• Nb三層膜SQUID試料は、提案された増幅器概念の実現可能性を裏付けた。
• 結果は、広帯域で低ノイズなジョセフソンパラメトリック増幅器の理論的枠組みを検証した。