[논문 리뷰] Nonreciprocal devices based on voltage-tunable junctions

Catherine Leroux, A. Parra-Rodriguez외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 13.

Magneto-Optical Properties and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 슈퍼컨덕터-반도체 하이브리드 회로에서 정적 자기장만을 사용하여 비대칭 장치를 실현하기 위해 전압 조절이 가능한 플럭스-전하 상호작용(FENNEC)을 제안한다. 가변성 있는 조지슨 접합을 통해 플럭스와 전하 자유도를 결합함으로써, 저항 없는 온칩 기구를 구현하여 향후 동적 드라이브나 복잡한 대칭성을 요구하지 않는 작고 컴act한 서큘레이터와 양자 신호 라우터를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We propose to couple the flux degree of freedom of one mode with the charge degree of freedom of a second mode in a hybrid superconducting-semiconducting architecture. Nonreciprocity can arise in this architecture in the presence of external static magnetic fields alone. We leverage this property to engineer a passive on-chip gyrator, the fundamental two-port nonreciprocal device which can be used to build other nonreciprocal devices such as circulators. We analytically and numerically investigate how the nonlinearity of the interaction, circuit disorder and parasitic couplings affect the scattering response of the gyrator.

연구 동기 및 목표

• 동적 드라이브나 복잡한 기하학적 구조 없이 시간 역행 대칭성을 깨는 비대칭 장치 아키텍처를 개발하는 것.
• 전압 조절이 가능한 조지슨 접합을 활용하여 플럭스-전하 상호작용(FENNEC)을 생성함으로써 회로 모드 간의 비대칭 결합을 가능하게 하는 것.
• FENNEC 결합을 기반으로 한 수동 온칩 기구를 설계하고 분석하여 양자 회로의 기본 구성 요소로 활용하는 것.
• 회로의 비이성질, 부속 결합, 비선형성과 같은 현실적인 비이deal 조건 하에서 비대칭 응답의 강건성에 대해 조사하는 것.

제안 방법

• 반도체 나노와이어, 2DEG 또는 그래핀 기반의 전압 조절 가능한 초전도 접합을 사용하여 FENNEC 상호작용을 실현하며, 게이트 전압에 의해 조지슨 에너지를 조절할 수 있다.
• 이러한 접합의 안드레이브 준위 에너지 스펙트럼에서 비선형성이 발생하여 플럭스와 전하 연산자 간의 혼합된 2차형상 상호작용이 가능해진다.
• 의 평균장 분석을 통해 FENNEC 결합을 통한 두 개의 공진 모드 간의 상호작용을 기술하는 효과적 해밀토니안을 유도한다.
• 시스템의 비이성질과 부속 결합을 포함한 현실 조건 하에서 기구의 산란 응답을 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 임피던스 매칭된 LC 공진기 부하와 고전적 산란 행렬 분석을 사용하여 FENNEC 기반 기구를 기반으로 3포트 서큘레이터를 설계한다.
• 주파수 도메인에서 키르히호프의 법칙을 적용하여 산란 행렬을 유도하며, 임피던스 매칭 및 공진 조건 하에서 이상적인 서큘레이터 행동을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적, 전압 조절이 가능한 플럭스-전하 상호작용(FENNEC)이 매개변수적 드라이브나 시간에 의존하는 조절 없이도 슈퍼컨덕터 회로에서 비대칭성을 생성할 수 있는가?
• RQ2 FENNEC 결합의 비선형성은 기구의 산란 응답과 비대칭 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 회로의 비이성질과 부속 결합은 비대칭 응답의 정밀도와 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FENNEC 기반 기구는 양자 정보 처리에서 온칩 서큘레이터의 확장 가능한 기본 구성 요소로 사용될 수 있는가?
• RQ5 고전적 산란 행렬 형식에서 시스템이 이상적인 서큘레이터 행동을 달성하는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• FENNEC 결합은 동적 드라이브가 필요 없이 정적 자기장과 전압 조절 가능한 접합만을 사용하여 슈퍼컨덕터 회로에서 비대칭성을 실현한다.
• 제안된 기구는 임피던스 매칭 및 공진 조건 하에서 이상적인 서큘레이터 행렬에 수렴하는 산란 행렬 응답을 달성한다: S → [[0,1,0],[0,0,-1],[1,0,0]].
• 수치 시뮬레이션을 통해 비이성질과 부속 결합의 중간 수준 이하에서는 비대칭 응답이 강건하게 유지됨을 확인하였다.
• FENNEC 상호작용의 비선형성은 산란 응답에 고차항 보정을 도입하지만, 이는 임피던스와 양자 저항 척도에 의해 제한된다.
• 모드 임피던스가 저항 양자 R_Q ≈ 6.5 kΩ와 관련된 특정 조건을 만족할 경우, 효과적 해밀토니안의 오차 항은 작다는 것이 입증되었다.
• 이 설계는 FENNEC 기반 기구를 기반으로 한 수동적, 온칩 3포트 서큘레이터를 실현할 수 있으며, 양자 컴퓨팅 아키텍처에 통합하기에 적합하다.