[논문 리뷰] Beyond the standard quantum limit of parametric amplification

Michael Renger, Stefan Pogorzalek외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 02.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 플럭스 구동형 조지프슨 파라메트릭 앰프리파이어(JPA)에서 광대역 비균일 파라메트릭 증폭이 표준 양자 한계(SQL)인 0.5의 양자 효율을 초월할 수 있음을 실험적으로 입증한다. 이는 신호 정보를 아이드러 모드에 활용하여 측정된 효율이 $0.69 \pm 0.02$에 이를 수 있음을 의미한다. 이 방법은 신호 대역과 아이드러 대역 간의 상관된 입력 모드를 이용하여 추가 노이즈를 제거함으로써, 광대역 마이크로파 신호에 대해 노이즈 없는 증폭을 가능하게 하며, SQL을 초월한다.

ABSTRACT

The low-noise amplification of weak microwave signals is crucial for countless protocols in quantum information processing. Quantum mechanics sets an ultimate lower limit of half a photon to the added input noise for phase-preserving amplification of narrowband signals, also known as the standard quantum limit (SQL). This limit, which is equivalent to a maximum quantum efficiency of $0.5$, can be overcome by employing nondegenerate parametric amplification of broadband signals. We show that, in principle, a maximum quantum efficiency of 1 can be reached. Experimentally, we find a quantum efficiency of $0.69 \pm 0.02$, well beyond the SQL, by employing a flux-driven Josephson parametric amplifier and broadband thermal signals. We expect that our results allow for fundamental improvements in the detection of ultraweak microwave signals.

연구 동기 및 목표

• 마이크로파 신호에 대한 위상 유지 증폭에서 0.5의 양자 효율을 차지하는 표준 양자 한계(SQL)를 극복하는 것.
• 광대역 비균일 파라메트릭 증폭 영역에서 노이즈 없는 증폭이 물리적으로 가능한지 조사하는 것.
• 플럭스 구동형 조지프슨 파라메트릭 앰프리파이어(JPA)를 이용하여 실험적으로 SQL을 초월하는 양자 효율을 입증하는 것.
• 광대역 작동 조건에서 아이드러 모드가 신호 정보를 반영할 수 있으며, 노이즈 원천으로 작용하지 않는지를 검증하는 것.
• 광대역 파라메트릭 증폭에서 단위 양자 효율을 달성하기 위한 정량적 기준을 제공하는 것.

제안 방법

• 광대역 마이크로파 신호의 비균일 파라메트릭 증폭을 가능하게 하기 위해 플럭스 구동형 조지프슨 파라메트릭 앰프리파이어(JPA)를 활용하는 것.
• 비균일 파라메트릭 증폭을 위한 신호-아이드러 모드 상관성을 확보하기 위해 대역폭 $b_s$가 임계 임계값 $b_2$를 초과하는 광대역 열 입력 신호를 사용하는 것.
• 디지털화되고 필터링된 출력 신호에서 이차 모멘트 $\langle I^m Q^n \rangle$를 측정하여 양자 효율을 추출하는 것.
• 위너-킨친 정리(Wiener-Khinchine theorem)를 적용하여 파owe 스펙트럼 밀도와의 관계를 설정하고, 펌프 광자 수와 열 노이즈를 고려하는 것.
• 펌프에 의해 유도되는 변동을 기술하기 위해 파wr-법 모델 $n_J(G) = n_J'(G-1)^\epsilon$을 사용하여 이득에 의존하는 노이즈 $n_J(G)$를 피팅하는 것.
• 노이즈 성능에 대한 신호 대역폭의 영향을 분리하기 위해, 극단적 대역폭 및 광대역 영역에서의 양자 효율을 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광대역 마이크로파 신호에 대해 파라메트릭 증폭에서의 양자 효율이 표준 양자 한계(SQL)인 0.5를 초월할 수 있는가?
• RQ2 비균일 파라메트릭 증폭에서 아이드러 모드가 노이즈 원천으로서의 역할을 멈추고 신호 정보를 반영하는 조건은 무엇인가?
• RQ3 광대역 파라메트릭 증폭에서 단위 양자 효율($\eta = 1$)을 달성할 수 있으며, 이를 위해 필요한 신호 대역폭은 얼마인가?
• RQ4 펌프 광자 수의 변동은 JPA에서 측정된 양자 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 광대역 영역에서 양자 효율의 이득 의존성은 예측 가능한 함수 형태를 따르는가?

주요 결과

• 실험적으로 측정된 양자 효율은 $0.69 \pm 0.02$로, 표준 양자 한계인 0.5를 크게 초월하였다.
• 광대역 비균일 파라메트릭 증폭 영역에서는 상호 상관된 신호 및 아이드러 모드를 활용하여 노이즈 없는 증폭이 가능하며, 이로 인해 SQL을 회피할 수 있다.
• 신호 대역폭이 임계값 $b_2$를 초과할 경우, 아이드러 모드가 신호 정보를 반영함으로써 측정된 양자 효율이 SQL을 초월한다.
• 이득에 의존하는 노이즈 행동은 파워-법 모델 $n_J(G) = n_J'(G-1)^\epsilon$으로 잘 기술되며, 이는 펌프에 의해 유도된 광자 수 변동이 주요 노이즈 원천임을 시사한다.
• 광대역 영역에서는 양자 효율에 기본적인 양자 한계가 존재하지 않으며, 향후 단위 효율 달성 가능성이 열려 있다.
• 결과적으로 아이드러 모드가 신호 증폭에 기여하며, 노이즈 원천으로 작용하지 않음을 검증하였다. 이는 신호 대역폭이 충분히 넓을 경우에 해당된다.