[论文解读] A near-ideal degenerate parametric amplifier

Daniel J. Parker, Mykhailo Savytskyi+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 16被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于NbTiN薄膜中动能电感的近理想退化参数放大器（KIPA），其动态范围比基于约瑟夫森结的DPAs高出四个数量级。该放大器实现了50 dB的相位敏感增益，接近量子极限的噪声性能（0.32(3)个等效输入光子），并实现了26 dB的相干态去放大，为量子限 microwave 测量提供了卓越的压缩潜力。

ABSTRACT

Degenerate parametric amplifiers (DPAs) exhibit the unique property of phase-sensitive gain and can be used to noiselessly amplify small signals or squeeze field fluctuations beneath the vacuum level. In the microwave domain, these amplifiers have been utilized to measure qubits in elementary quantum processors, search for dark matter, facilitate high-sensitivity spin resonance spectroscopy and have even been proposed as the building blocks for a measurement based quantum computer. Until now, microwave DPAs have almost exclusively been made from nonlinear Josephson junctions, which exhibit high-order nonlinearities that limit their dynamic range and squeezing potential. In this work we investigate a new microwave DPA that exploits a nonlinearity engineered from kinetic inductance. The device has a simple design and displays a dynamic range that is four orders of magnitude greater than state-of-the-art Josephson DPAs. We measure phase sensitive gains up to 50 dB and demonstrate a near-quantum-limited noise performance. Additionally, we show that the higher-order nonlinearities that limit other microwave DPAs are almost non-existent for this amplifier, which allows us to demonstrate its exceptional squeezing potential by measuring the deamplification of coherent states by as much as 26 dB.

研究动机与目标

• 与现有的基于约瑟夫森结的设计相比，开发一种具有显著提升的动态范围和更低的高阶非线性性的微波参数放大器。
• 在相位敏感放大器中实现接近量子极限的噪声性能，以实现高保真度的量子信号检测。
• 通过将相干态去放大高达26 dB，展示出卓越的压缩能力，接近基于测量的量子计算的容错阈值。
• 探索基于动能电感的谐振器作为可扩展、高品质因数平台在量子限放大和非高斯态工程中的可行性。

提出的方法

• 放大器由薄膜NbTiN谐振器制成，利用其高动能电感产生定制化的非线性特性，而非依赖约瑟夫森结。
• 该器件作为退化参数放大器（DPA）工作，使用频率为2ω₀的泵浦信号在ω₀频率上诱导相位敏感增益，信号与泵浦通过偏置T和复用器在20 mK下耦合。
• 采用输入-输出理论对放大器进行建模，实验数据与理论模型高度吻合，证实其行为接近理想DPA且附加噪声极低。
• 通过测量相干态的去放大来表征压缩性能，使用高达30 dB的增益水平映射压缩变换。
• 通过测量放大器的噪声温度随增益的变化关系，拟合理论模型以提取输入等效噪声和损耗贡献。
• 该器件集成于低温系统中，配备环形器和同镜检测，实现在室温下对相位敏感增益和噪声性能的高保真度测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于动能电感的微波DPA能否实现比最先进的约瑟夫森结DPA高出四个数量级的动态范围？
• RQ2 KIPA中高阶非线性性的缺失在多大程度上使其压缩性能优于传统约瑟夫森结放大器？
• RQ3 KIPA能否在相位敏感模式下实现接近量子极限的噪声性能，使输入等效噪声趋近于0.25光子的量子极限？
• RQ4 基于动能电感的DPA可实现的最大去放大水平（压缩）是多少？是否超过测量基量子计算所需的17 dB容错阈值？

主要发现

• KIPA在20 dB增益下实现1 dB压缩点为-69.5 dBm，其动态范围比最先进的约瑟夫森结DPA高出四个数量级。
• 该放大器实现了高达50 dB的相位敏感增益，输入等效噪声为0.32(3)个光子，接近0.25个光子的量子极限。
• 该器件实现了对相干态高达26 dB的去放大，表明其具有卓越的压缩潜力，且未观测到内部损耗的迹象。
• 理论建模证实该器件行为接近理想DPA，输入-输出理论与实验数据高度一致。
• 估算NbTiN谐振器的内部品质因数超过10⁶，表明压缩水平可能已超过测量基量子计算所需的17 dB容错阈值。
• 由于其高动态范围和低噪声，KIPA在电子自旋共振谱学及其他高灵敏度量子测量中具有巨大应用潜力。