[논문 리뷰] Quantum Dot-Based Parametric Amplifiers

Laurence Cochrane, Theodor Lundberg외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 23.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 24인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMOS 나노와이어 트랜지스터의 실리콘 더블 큐비트 도트의 양자 용량을 이용한 소모 없이 비선형적인 요소로 사용하는 큐비트 도트 기반의 파arametric 증폭기(QDPA)를 제안하고 실험적으로 구현한다. 1.8 GHz 초전도성 공진기에서 위상 민감한 파라메트릭 증폭 성능을 −3에서 +3 dB로 달성함으로써, 반도체 통합성과 자석장에 대한 내성을 갖는 조셉슨 파라메트릭 증폭기의 보완적인 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Josephson parametric amplifiers (JPAs) approaching quantum-limited noise performance have been instrumental in enabling high fidelity readout of superconducting qubits and, recently, semiconductor quantum dots (QDs). We propose that the quantum capacitance arising in electronic two-level systems (the dual of Josephson inductance) can provide an alternative dissipation-less non-linear element for parametric amplification. We experimentally demonstrate phase-sensitive parametric amplification using a QD-reservoir electron transition in a CMOS nanowire split-gate transistor embedded in a 1.8~GHz superconducting lumped-element microwave cavity, achieving parametric gains of -3 to +3 dB, limited by Sisyphus dissipation. Using a semi-classical model, we find an optimised design within current technological capabilities could achieve gains and bandwidths comparable to JPAs, while providing complementary specifications with respect to integration in semiconductor platforms or operation at higher magnetic fields.

연구 동기 및 목표

• 반도체 큐비트 도트의 양자 용량을 기반으로 한 소모 없는 비선형 요소를 개발하여 파라메트릭 증폭에 활용한다.
• 반도체 기반 양자 컴퓨팅 플랫폼과 호환되는 낮은 노이즈, 높은 정밀도의 마이크로파 증폭을 실현한다.
• 조셉슨 접합 기반 파라메트릭 증폭기의 대안으로서 자석장에 강건하고 CMOS 기술과의 통합성이 뛰어난 기술을 탐색한다.
• 초전도성 마이크로파 공진기 내에서 큐비트 도트-저축소 전이를 이용한 위상 민감한 파라메트릭 증폭을 구현한다.

제안 방법

• 분할 게이트 전계효과 트랜지스터를 이용해 저축소와 결합된 더블 큐비트 도트를 정의한다.
• 큐비트 도트와 저축소 사이의 순환 전자 터널링에 기인한 양자 용량을 비선형 반도체 성분으로 활용한다.
• 공진 증폭을 위해 큐비트 도트를 1.8 GHz 초전도성 루프형 마이크로파 공진기에 통합한다.
• 증폭 성능과 대역폭 최적화를 예측하기 위해 반고전적 모델을 적용한다.
• 신호 모드와 아이디어르 모드 간의 에너지 교환을 위해 ωp = ωs + ωi 조건으로 마이크로파 펌프를 적용한다.
• 냉각된 증폭, I/Q 디모듈레이션 및 스펙트럼 분석을 통해 신호를 검출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체 큐비트 도트의 양자 용량이 파라메트릭 증폭에 적합한 소모 없는 비선형 요소로 기능할 수 있는가?
• RQ2 현재 기술적 제약 조건 하에서 큐비트 도트 기반 증폭기의 도달 가능한 파라메트릭 증폭 성능 및 대역폭은 어느 정도인가?
• RQ3 노이즈 성능과 통합 호환성 측면에서 조셉슨 접합 기반 증폭기와 비교해 QDPA는 어떻게 성능을 내는가?
• RQ4 JJ 기반 증폭기와 비교해 QDPA는 자석장에 얼마나 강건한가?
• RQ5 시지푸스 소모가 QDPA의 성능을 제한할 수 있으며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• QDPA는 Sisyphus 소모로 인해 −3 dB에서 +3 dB 사이의 위상 민감한 파라메트릭 증폭 성능을 달성한다.
• 측정된 증폭 성능는 현재 제조 능력 범위 내에서 최적 성능을 예측하는 반고전적 모델과 일치한다.
• 큐비트 도트의 양자 용량은 조절 가능하고 소모가 없는 비선형 반도체 반응성으로써 파라메트릭 증폭에 적합하다.
• 장치는 1.8 GHz 초전도성 공진기에 통합되어 기존 마이크로파 양자 아키텍처와의 호환성을 입증한다.
• CMOS 호환성 설계와 자석장에 대한 내성 덕분에 반도체 양자 컴퓨팅 플랫폼과의 통합 잠재력이 높다.
• Sisyphus 소모는 최대 도달 가능한 증폭 성능를 제한하는 주요 제약 요소로 규명되었다.