[논문 리뷰] Flux-driven Josephson parametric amplifiers: Hysteretic flux response and nondegenerate gain measurements

Stefan Pogorzalek, Kirill G. Fedorov외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 28.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 41인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 유한한 스크리닝 파라미터를 가진 dc-SQUIDs에서 외부 자기장 흐름에 따라 공진 주파수가 히스테리시스적으로 의존하는 현상을 보여주는, 플럭스 구동형 조지프슨 파라메트릭 앰프리파이어(JPAs)에 대한 종합적인 연구를 제시한다. 2차원 포텐셜 장경로의 수치 시뮬레이션과 분포형 요소 모델을 사용하여 저자들은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 이룩하였으며, 비접속된 JPAs가 최대 -30 dB의 이득을 가진 테이블러블 마이크로파 감쇠기로 작동할 수 있음을 보여주고, 과도하게 연결된 JPAs가 선형 앰프리파이어로 작동함을 밝혔다.

ABSTRACT

Josephson parametric amplifiers (JPA) have become key devices in quantum science and technology with superconducting circuits. In particular, they can be utilized as quantum-limited amplifiers or as a source of squeezed microwave fields. Here, we report on the detailed measurements of five flux-driven JPAs, three of them exhibiting a hysteretic dependence of the resonant frequency versus the applied magnetic flux. We model the measured characteristics by numerical simulations based on the two-dimensional potential landscape of the dc superconducting quantum interference devices (dc-SQUID), which provide the JPA nonlinearity, for a finite screening parameter $β_\mathrm{L}\,{>}\,0$ and demonstrate excellent agreement between the numerical results and the experimental data. Furthermore, we study the nondegenerate response of different JPAs and accurately describe the experimental results with our theory.

연구 동기 및 목표

• 유한한 스크리닝 파라미터를 가진 플럭스 구동형 조지프슨 파라메트릭 앰프리파이어(JPAs)에서의 히스테리시스적 플럭스 반응을 이해하기 위해.
• dc-SQUID 포텐셜 장경로의 고전적 시뮬레이션을 사용하여 외부 자기장 흐름에 따른 공진 주파수의 의존성을 모델링하기 위해.
• 비동일한 커플링 영역(비접속 대 과도접속)에서의 비동일한 이득 행동을 조사하기 위해.
• 비동일 작동 조건에서의 신호 및 아이디어어 이득 측정 결과와 이론적 예측을 비교 검증하기 위해.
• JPA 공진 주파수가 dc-SQUID 상태의 비파괴적 독취를 가능하게 하여 상태 준비를 가능하게 함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 외부 플럭스와 스크리닝 파라미터 $\beta_{\mathrm{L}}$ 가 변화하는 조건에서의 단위 입자 운동을 모의하기 위해 dc-SQUID의 이중 차원 포텐셜 장경로의 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• JPA의 공진 주파수 $\omega_0$ 를 플럭스 및 $\beta_{\mathrm{L}}$ 의 함수로 기술하기 위해 분포형 요소 모델을 사용하였다.
• 펌프 전력과 주파수를 제어 변수로 삼아 비동일한 이득을 기술하기 위해 선형화된 파라메트릭 앰프리파이어 형식을 적용하였다.
• 실험적 이득 스펙트럼과 일치시키기 위해 커플링 강도 $g$ 를 자유 매개변수로 사용하였으며, 비접속 JPA의 경우 $g \approx 0.17\ \mathrm{V^{-1}}$ 로 추정하였다.
• 다양한 JPA 샘플에 대해 이론적 예측과 실험 데이터 간의 신호 및 아이디어어 이득 스펙트럼 비교를 수행하였다.
• 내부 및 외부 감쇠율($\kappa_{\mathrm{int}}$ 및 $\kappa_{\mathrm{ext}}$)의 비율에 기반한 앰프리파이어와 감쇠기 행동 간 전이를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 스크리닝 파라미터 $\beta_{\mathrm{L}}$ 는 JPA 공진 주파수의 히스테리시스적 플럭스 반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비접속 JPA에서 앰프리파이어와 디앰프리파이어 행동 간 전이의 결정 요소는 무엇인가?
• RQ3 dc-SQUID 포텐셜 장경로 모델은 실험적 플럭스 의존 주파수 반응을 얼마나 정량적으로 재현할 수 있는가?
• RQ4 비동일한 이득 반응은 선형화된 파라메트릭 앰프리파이어 모델로 얼마나 정확하게 기술될 수 있는가?
• RQ5 공진 주파수는 양자 제어를 위한 dc-SQUID 상태의 비파괴적 독취로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 모든 세 개의 샘플에서 스크리닝 파라미터 $\beta_{\mathrm{L}}$ 가 유한한 조건에서 플럭스 구동형 JPAs의 공진 주파수는 외부 플럭스에 대해 히스테리시스적 의존성을 보이며, dc-SQUID 포텐셜 장경로의 수치 시뮬레이션 결과와 일치한다.
• 모의된 결과와 실험 결과 사이에 뛰어난 일치가 이루어졌으며, 이는 조그만 $\beta_{\mathrm{L}} \ll 1$ 인 경우에도 $\beta_{\mathrm{L}} = 0$ 과는 정량적으로 다름을 확인한다.
• 비접속 영역에서 JPA 3은 펌프 전력 증가에 따라 최대 -30 dB의 신호 디앰프리피케이션을 보이며, 이는 테이블러블 마이크로파 감쇠기로의 행동을 확인한다.
• 반면 과도접속 JPA 1은 펌프 전력 증가에 따라 신호 이득이 증가하며, 표준 앰프리파이어 행동과 일치한다.
• 비동일한 이득 스펙트럼에 대한 이론적 예측은 실험 데이터와 밀도 있게 일치하며, 유일한 피팅 매개변수로 $g \approx 0.17\ \mathrm{V^{-1}}$ 를 사용하였다.
• 모델은 내부 감쇠율 $\kappa_{\mathrm{int}}$ 와 외부 감쇠율 $\kappa_{\mathrm{ext}}$ 에 따라 결정되는 임계 펌프 강도 $\epsilon_{\mathrm{crit}}$ 에서 이득 표현의 분모의 부호 변화를 통해 앰프리파이어에서 감쇠기 행동으로의 전이를 설명한다.