[논문 리뷰] Fast and Ultrasensitive Electrometer Operating at the Single-Photon Level

B. L. Brock, Juliang Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 10.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 55인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단일 광자 수준의 전하 검출을 실현하는 캐비티 통합 코опер 쌍 트랜지스터(cCPT)를 제시하며, 최소 감도 14 µe/√Hz와 약 1 MHz의 대역폭을 달성하고, 마이크로파 전력 소비가 단지 16 aW에 불과하다. 장치는 양자 한계의 약 5배 이내에서 작동하여, 양자 광기계 시스템에 적합한 초민감도이자 저배경 영향 측정이 가능한 전자계측을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate fast and ultrasensitive charge detection with a cavity-embedded Cooper pair transistor (cCPT) via dispersive readout of its Josephson inductance. We report a minimum charge sensitivity of $14$ $\mu e/\sqrt{\mathrm{Hz}}$ with a detection bandwidth on the order of $1$ MHz using $16$ attowatts of power, corresponding to the single-photon level of the cavity. In addition, our measured sensitivities are within a factor of $5$ of the quantum limit for this device. The single-photon-level sensitivity of the cCPT is comparable to that of the rf-SET, which typically operates using picowatts of power corresponding to hundreds of thousands of photons in its tank circuit. Our results support the feasibility of using the cCPT to mediate an optomechanical interaction that reaches the single-photon strong coupling regime.

연구 동기 및 목표

• 단일 광자 수준에서 작동하는 빠르고 초민감한 전자계측기를 개발하여, 저배경 영향 양자 측정을 가능하게 한다.
• 캐비티 통합 코опер 쌍 트랜지스터(cCPT)를 사용하여 이론적 양자 한계에 근접하는 전하 검출 감도를 달성한다.
• cCPT에서 조셉슨 인덕턴스의 분산 읽기 방식을 구현하여 고정밀도이자 저전력 전하 센싱을 실현한다.
• cCPT를 사용하여 광기계 시스템에서 단일 광자 수준의 강한 결합을 매개할 수 있는지를 탐색한다.
• 단일 광자 전력 수준에서 작동시켜 측정의 배경 영향를 최소화하고, 근접한 양자 한계 성능을 갖춘 증폭기와 호환 가능하게 한다.

제안 방법

• 코퍼 쌍 트랜지스터(CPT)의 조셉슨 인덕턴스를 게이트 전하와 외부 플럭스로 조절하여 캐비티의 공진 주파수를 조절하는 캐비티 통합 코퍼 쌍 트랜지스터(cCPT)를 사용한다.
• 마이크로파 반사율의 분산 측정을 통해 캐비티 공진 주파수의 변화를 검출하여 CPT 이сл랜드의 게이트 전하를 인코딩한다.
• 마이크로파 전력 소비를 16 aW로 유지하여 캐비티 내에서 단일 광자 수준을 확보함으로써 측정의 배경 영향를 최소화한다.
• 게이트 전하의 변화에 따른 캐비티 주파수의 미분 응답을 측정하여 전하 감도를 평가하며, 감도는 광자 쇼트 노이즈 한계에서 유도된다.
• 단일 광자 쇼트 노이즈 이론 모델을 적용하여 cCPT의 이론적 양자 한계 감도를 예측한다.
• 5135 µm 길이의 λ/4 평면파일드 캐비티를 사용하여 장치를 특성화하며, 총 폭은 1.4 MHz, 기본 주파수는 5.76 GHz이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐비티 통합 코퍼 쌍 트랜지스터는 캐비티의 단일 광자 수준에서 전하 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 cCPT의 측정 감도는 이러한 장치의 이론적 양자 한계에 얼마나 가까이 도달하는가?
• RQ3 단일 광자 전력 수준에서 성능을 제한하는 주요 노이즈 원인은 무엇인가?
• RQ4 cCPT는 단일 광자 수준에서 광기계 시스템의 강한 결합을 매개할 수 있는가?
• RQ5 준입자 오염과 장치의 비선형성은 이상적인 양자 한계 대비 성능을 얼마나 떨어뜨리는가?

주요 결과

• cCPT는 약 1 MHz의 검출 대역폭에서 최소 전하 감도 14 µe/√Hz를 달성한다.
• 장치는 단지 16 aW의 마이크로파 전력에서 작동하여 캐비티 내에서 단일 광자 수준에 해당하며, 측정의 배경 영향를 최소화한다.
• 측정 감도는 이론적 양자 한계의 약 5배 이내이며, 주파수 노이즈, 증폭기 노이즈, 장치 비선형성으로 인한 편차로 설명된다.
• 준입자 오염은 장치가 이론적으로 최적의 작동 지점에 도달하는 것을 제한하며, 최적화된 샘플을 통해 감도를 0.4 µe/√Hz까지 낮출 수 있음을 시사한다.
• 결과는 cCPT를 사용하여 광기계 시스템에서 단일 광자 강한 결합 영역에 도달할 수 있음을 뒷받침한다.
• cCPT는 전력 효율성 측면에서 기존 rf-SET보다 뛰어나며, rf-SET의 피코와트 수준 대비 단일 광자 수준에서 작동한다.