[논문 리뷰] A near-ideal degenerate parametric amplifier

Daniel J. Parker, Mykhailo Savytskyi외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 24.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 16인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 NbTiN 박막에서의 운동적 인덕성에 기반한 near-ideal한 열역학적 비선형성 증폭기(KIPA)를 제시하며, 조셉슨 접합 기반 DPAs보다 다이내믹 레인지가 네 계단 높은 성능을 달성한다. 50 dB의 위상 민감성 증폭, 근접 양자한계의 잡음 성능(입력 기준 0.32(3) 광자), 그리고 26 dB의 공명 상태 감쇠를 통해 양자한계의 마이크로파 측정에 뛰어난 압축 잠재력을 제공한다.

ABSTRACT

Degenerate parametric amplifiers (DPAs) exhibit the unique property of phase-sensitive gain and can be used to noiselessly amplify small signals or squeeze field fluctuations beneath the vacuum level. In the microwave domain, these amplifiers have been utilized to measure qubits in elementary quantum processors, search for dark matter, facilitate high-sensitivity spin resonance spectroscopy and have even been proposed as the building blocks for a measurement based quantum computer. Until now, microwave DPAs have almost exclusively been made from nonlinear Josephson junctions, which exhibit high-order nonlinearities that limit their dynamic range and squeezing potential. In this work we investigate a new microwave DPA that exploits a nonlinearity engineered from kinetic inductance. The device has a simple design and displays a dynamic range that is four orders of magnitude greater than state-of-the-art Josephson DPAs. We measure phase sensitive gains up to 50 dB and demonstrate a near-quantum-limited noise performance. Additionally, we show that the higher-order nonlinearities that limit other microwave DPAs are almost non-existent for this amplifier, which allows us to demonstrate its exceptional squeezing potential by measuring the deamplification of coherent states by as much as 26 dB.

연구 동기 및 목표

• 기존 조셉슨 접합 기반 설계에 비해 다이내믹 레인지가 크게 향상되고 고차 비선형성이 감소된 마이크로파 비선형성 증폭기를 개발하기 위해.
• 고정밀 양자 신호 검출을 위한 위상 민감성 증폭기에서 근접 양자한계의 잡음 성능을 달성하기 위해.
• 공명 상태를 최대 26 dB까지 감쇠시켜 뛰어난 압축 능력을 입증함으로써 측정 기반 양자 컴퓨팅의 고장 내성 임계치에 가까운 성능을 달성하기 위해.
• 스케일러블하고 고품질 인덕성 요소로서 운동적 인덕성 기반 공진기를 양자한계 증폭 및 비가우시안 상태 설계 플랫폼으로서의 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 고운동적 인덕성을 지닌 박막 NbTiN 공진기를 사용하여 조셉슨 접합을 사용하지 않고도 조절 가능한 비선형성을 생성함으로써 증폭기를 제작함.
• 장치는 비선형성 증폭기(DPA)로 작동하며, 신호 주파수 ω₀에서의 증폭을 위해 2ω₀ 주파수의 펌프 톤을 사용함. 신호와 펌프는 20 mK에서 바이어스 티와 디플렉서를 통해 병합됨.
• 입력-출력 이론을 사용한 모델링은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 장치가 최적의 DPA로서 최소한의 추가 잡음으로 작동함을 확인함.
• 압축 성능는 공명 상태의 감쇠를 측정하여 평가되며, 최대 30 dB의 증폭 수준을 사용하여 압축 변환을 매핑함.
• 잡음 매개변수는 증폭기의 잡음 온도를 증폭도 함수로 측정하고 이론 모델에 맞추어 피팅하여 입력 기준 잡음과 손실 기여도를 추출함.
• 순환기와 동일주파수 검출 장치를 갖춘 냉각 시스템에 장치를 통합하여 실온에서 위상 민감성 증폭 및 잡음 성능의 고정밀 측정이 가능함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동적 인덕성 기반 마이크로파 DPA는 최신 조셉슨 기반 DPAs보다 다이내믹 레인지가 네 계단 높은가?
• RQ2 KIPA에서 고차 비선형성의 부재가 기존 조셉슨 기반 증폭기 대비 뛰어난 압축 성능을 가능하게 하는가?
• RQ3 KIPA는 입력 기준 잡음이 0.25 광자 양자한계에 가까워지도록 위상 민감성 모드에서 근접 양자한계의 잡음 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 운동적 인덕성 기반 DPA에서 최대 수준의 감쇠(압축)는 얼마이며, 측정 기반 양자 컴퓨팅에 필요한 17 dB 임계치를 초과하는가?

주요 결과

• KIPA는 20 dB 증폭에서 -69.5 dBm의 1 dB 수축점 성능을 달성하여 최신 조셉슨 기반 DPAs보다 다이내믹 레인지가 네 계단 높음.
• 장치는 최대 50 dB의 위상 민감성 증폭을 보이며, 입력 기준 잡음은 0.32(3) 광자로 0.25 광자 양자한계에 가까워짐.
• 공명 상태의 감쇠가 26 dB에 도달하여 뛰어난 압축 잠재력을 보이며, 내부 손실의 명백한 징후 없이 작동함.
• 이론적 모델링은 장치가 이상적인 DPA로 행동함을 확인하며, 입력-출력 이론과 실험 데이터 간 뛰어난 일치를 보임.
• NbTiN 공진기의 내부 품질 인자는 10⁶를 초과로 추정되며, 이는 이미 측정 기반 양자 컴퓨팅의 고장 내성 임계치인 17 dB를 초과한 압축 수준에 도달했을 가능성을 시사함.
• 높은 다이내믹 레인지와 낮은 잡음 성능 덕분에 전자 스핀 공명 분광법 및 기타 고감도 양자 측정 분야에서의 응용 잠재력이 높음.