[논문 리뷰] Flux-driven Josephson parametric amplifier

Tsuyoshi Yamamoto, K. Inomata외 6명|ArXiv.org|2008. 08. 10.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 초전도성 평면파일드 웨이브가이드 공진기로 종료된 dc SQUID를 갖는 플럭스 구동형 조지프슨 파라메트릭 증폭기를 제시한다. 이 증폭기는 약 20 GHz의 마이크로파 풍자 신호에 의해 SQUID를 통과하는 자기 플럭스를 변조하여 약 10 GHz에서 신호를 파라메트릭하게 증폭한다. 증폭기는 최대 17 dB의 이득을 기록하고, 0.87 K 이하의 노이즈 온도를 달성하여 가변적인 대역 중심과 위상에 따라 달라지는 증폭/감쇠 특성을 입증한다.

ABSTRACT

We have developed a Josephson parametric amplifier, comprising a superconducting coplanar waveguide resonator terminated by a dc SQUID (superconducting quantum interference device). An external field (the pump, $\sim 20$ GHz) modulates the flux threading the dc SQUID, and, thereby, the resonant frequency of the cavity field (the signal, $\sim 10$ GHz), which leads to parametric signal amplification. We operated the amplifier at different band centers, and observed amplification (17 dB at maximum) and deamplification depending on the relative phase between the pump and the signal. The noise temperature is estimated to be less than 0.87 K.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보 시스템에서의 융통성 있는 운영을 위해 넓은 범위로 가변적인 대역 중심을 갖는 조지프슨 파라메트릭 증폭기를 개발하기 위해.
• 직접 전류 펌프를 요구하지 않고 dc SQUID의 플럭스 조절을 통해 파라메트릭 증폭 및 감쇠를 구현하기 위해.
• 감도 있는 양자 측정에 적합한 낮은 노이즈 온도를 갖는 양자 제한 성능을 달성하기 위해.
• 유도 결합을 통해 풍자 신호와 신호 주파수를 분리하여 풍자 신호가 신호 경로로 유입되는 것을 최소화하기 위해.

제안 방법

• 증폭기는 외부의 직류 플럭스 펌프에 의해 제어되는 초전도성 평면파일드 웨이브가이드 공진기로 종료된 dc SQUID를 사용한다.
• 신호 주파수의 약 두 배인 약 20 GHz의 마이크로파 풍자 신호가 SQUID 루프에 가해져 자기 플럭스를 변조하고, 이로 인해 약 10 GHz에서 신호가 파라메트릭하게 증폭된다.
• 공진기의 공진 주파수는 풍자 주파수에서 동적으로 변조되며, 조지프슨 인덕턴스의 시간에 따라 변화하는 비선형성에 의해 파라메트릭 이득이 발생한다.
• 풍자 신호와 신호는 각각 다른 포트를 통해 결합되며, 20 GHz 근처에 두 번째 공진이 존재하지 않아 풍자 신호가 신호 라인으로의 누출을 억제한다.
• 시스템은 30 mK의 온도에서 딜루션 냉장고에서 작동하며, 신호와 이득은 방향성 커퍼플러와 고온에서의 HEMT 증폭기를 사용하여 측정된다.
• 노이즈 온도는 시스템 손실과 HEMT 증폭기의 노이즈를 고려하여 배경 노이즈 수준과 신호 이득을 비교하여 추정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플럭스 구동형 조지프슨 파라메트릭 증폭기는 넓은 대역 중심의 가변성과 함께 높은 이득과 낮은 노이즈 온도를 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 풍자 신호와 신호 실재의 위상 간의 상대적 위상은 플럭스 구동 방식에서 증폭 및 감쇠에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 조지프슨 저항에서의 비선형성으로 인해 고입력 신호 전력에서 증폭기 성능이 얼마나 떨어지는가?
• RQ4 고정된 대역 중심에서 증폭기의 가용 대역폭과 동적 범위는 얼마이며, 장치 파라미터에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 증폭기는 대역 중심이 10.00 GHz일 때 최대 17 dB의 이득을 기록했으며, 이는 신호 주파수 10.00 GHz와 풍자 주파수 20.00 GHz에서 측정되었다.
• 대역 중심이 10.78 GHz일 때 14 dB의 이득이 측정되었으며, 이득은 신호 실재 위상에 대해 주기 π로 주기적인 의존성을 보였다.
• 특정 위상 값에서 감쇠(음의 이득)가 관측되어 증폭기에서 노이즈 압축의 잠재적 가능성을 확인하였다.
• 노이즈 온도는 0.87 K 이하로 추정되어 근접한 양자 제한 성능을 나타내었다.
• 고정된 대역 중심에서 증폭기의 대역폭은 약 20 MHz로 측정되었으며, 이는 공진기의 대역폭과 일치하였다.
• 고입력 신호 전력(>−120 dBm)에서 이득 응답이 왜곡되고 히스테리시스를 보이며, 조지프슨 저항에서 기인한 비선형 포화 효과를 나타내었다.