[논문 리뷰] Demonstration of a Quantum Noise Limited Traveling-Wave Parametric Amplifier

Nikita Klimovich, Peter K. Day외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 19.

Gyrotron and Vacuum Electronics Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 NbTiN 마이크로스트립과 암모르퍼스 실리콘 유전체를 기반으로 한 광역대, 양자잡음 한계 도달 전파파라미터 증폭기(TWPA)를 제시하며, 분산 설계를 통해 20 mK에서 20 dB의 이득과 양자잡음 한계 성능을 달성한다. 또한 위상민감한 작동 조건에서 최대 8 dB의 진공 잡음 압축을 구현하여 고감도 마이크로파 양자 측정 기술의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Recent progress in quantum computing and the development of novel detector technologies for astrophysics is driving the need for high-gain, broadband, and quantum-limited amplifiers. We present a purely traveling-wave parametric amplifier (TWPA) using an inverted NbTiN microstrip and amorphous Silicon dielectric. Through dispersion engineering, we are able to obtain $50~Ω$ impedance matching and suppress undesired parametric processes while phase matching the three-wave-mixing amplification across a large range of frequencies. The result is a broadband amplifier operating with 20 dB gain and quantum-limited noise performance at 20 mK. At the single frequency where the amplifier is phase sensitive, we further demonstrate 8 dB of vacuum noise squeezing.

연구 동기 및 목표

• 양자 컴퓨팅 및 천체물리 탐측에 적합한 고이득, 광역대, 양자잡음 한계 도달 마이크로파 증폭기를 개발하기 위해.
• 기존 HEMT 및 조셉슨 파라미터 증폭기(JPA)의 한계인 높은 잡음 온도와 제한된 다이내믹 레인지 문제를 해결하기 위해.
• 이산 조셉슨 접합을 포함하지 않고 운동 에너지 유도 비선형성에 기반한 순수 전파파라미터 증폭기를 실현하기 위해.
• 분산 설계를 통해 광역대 이득(20 dB)과 동시에 양자잡음 한계 도달 잡음 성능을 달성하기 위해.
• 진공 잡음 압축을 통해 비고전적 상태 생성 능력을 입증함으로써, 양자 향상 측정 기술에의 잠재력을 확인하기 위해.

제안 방법

• TWPA는 190 nm 두께의 암모르퍼스 실리콘 유전체층을 가진 실리콘 기판 위에 뒤집힌 NbTiN 마이크로스트립을 사용하여 고운동 에너지 유도도와 낮은 손실을 달성한다.
• 주기적인 커패시티 스텁(26 µm 길이, 2 µm 간격)을 사용하여 50 Ω 임피던스 매칭과 단위 길이당 증가된 커패시턴스를 실현한다.
• 스텁 길이의 삼각함수적 변조(110 µm 주기, 2 µm 진폭)를 통해 9 GHz 부근에 광대역 밴드 갭을 형성하고, 넓은 대역에서 삼파람이 혼합되는 위상 매칭을 가능하게 한다.
• 낮은 위상 속도(0.0078c)를 달성하고 분산 설계를 통해 펌프 고조파를 억제함으로써 불필요한 파라미터적 과정을 방지한다.
• 냉각 스위치와 감쇠된 입력 라인을 갖춘 수정된 y-팩터 방법을 통해 시스템 잡음 온도와 증폭기 이득을 정확하게 측정한다.
• 펌프와 신호를 동일한 합성기와 고정된 위상으로 잠그는 방식으로 위상민감한 작동을 실현하며, IQ 믹서를 통해 증폭된 및 압축된 위상 성분을 모두 측정할 수 있다.

Figure 1: A top view of the TWPA design and a photo of 76 such devices on a four inch wafer (top-right) .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동 에너지 유도 비선형성에 기반한 순수 전파파라미터 증폭기(TWPA)가 광역대(수 GHz)에서 양자잡음 한계 도달 잡음 성능을 동시에 확보할 수 있는가?
• RQ2 NbTiN 마이크로스트립 구조에서의 분산 설계가 불필요한 파라미터적 과정을 억제하면서도 넓은 주파수 범위에서 위상 매칭을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 이 증폭기는 얼마나 높은 정도의 진공 잡음 압축을 달성할 수 있으며, 표준 양자 한계와 비교해 성능은 어떠한가?
• RQ4 TWPA 설계에서 조셉슨 접합의 부재가 기존 JPA보다 더 넓은 다이내믹 레인지와 향상된 내구성을 제공하는가?
• RQ5 증폭된 위상 성분에서 시스템 잡음 온도가 표준 양자 한계 이하로 낮아질 수 있으며, 달성 가능한 압축 수준은 얼마인가?

주요 결과

• TWPA는 5.65 GHz 중심 주변 수 기가헤르츠에 걸쳐 약 20 dB의 광역대 이득을 달성하였으며, 50 Ω 임피던스 매칭 설계를 구현하였다.
• 실험적으로 잡음 성능가 양자잡음 한계 도달을 확인하였으며, 높은 이득 조건에서 증폭된 위상 성분에서 추가 잡음이 0.27 퀘이낸트에 해당한다.
• 20 mK에서 작동함으로써 증폭된 위상 성분에서 표준 양자 한계 이하의 시스템 잡음 온도를 달성하였다.
• 위상민감한 작동 조건(펌프 주파수 11.313 GHz)에서 최대 8 dB의 진공 잡음 압축을 생성하여 비고전적 상태 생성 능력을 입증하였다.
• 잔여 잡음로 인해 측정된 압축 수준이 이상적인 선형성에서 약간 벗어나며, 이는 압축된 위상 성분에서 최대 0.16 퀘이낸트의 추가 잡음에 해당한다.
• 접합의 부재로 인해 JPA보다 다이내믹 레인지가 크게 향상되어 1 dB 수축 이전에 더 강한 신호를 증폭할 수 있다.

Figure 2: A schematic diagram of the measurement setup.