[논문 리뷰] An integrated Josephson circulator and directional amplifier: the triple-pumped JPC

Katrina Sliwa, Michael Hatridge외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 트리플펌프드 조지프슨 파라메트릭 컨버터(JPC)를 사용하여 한 개의 초전도 마이크로파 회로가 방향성 증폭기와 서큘레이터의 기능을 모두 수행함을 보여준다. 펌프 조건을 조절함으로써 장치는 모드 간에 동적으로 전환되며, 증폭기 모드에서는 양자 제한된 잡음 성능을 달성하고, 서큘레이터 모드에서는 완전히 가역적인 순환을 실현하여 재구성 가능하고 저손실인 온칩 비대칭 신호 처리를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Circulators and directional amplifiers are crucial non-reciprocal signal routing and processing components involved in microwave readout chains for a variety of applications. They are particularly important in the field of superconducting quantum information, where the devices also need to have minimal photon losses to preserve the quantum coherence of signals. Conventional commercial implementations of each device suffer from losses and are built from very different physical principles, which has led to separate strategies for the construction of their quantum-limited versions. However, as recently proposed theoretically, by establishing simultaneous pairwise conversion and/or gain processes between three modes of a Josephson-junction based superconducting microwave circuit, it is possible to endow the circuit with the functions of either a phase-preserving directional amplifier or a circulator. Here, we experimentally demonstrate these two modes of operation of the same circuit. Furthermore, in the directional amplifier mode, we show that the noise performance is comparable to standard non-directional superconducting amplifiers, while in the circulator mode, we show that the sense of circulation is fully reversible. Our device is far simpler in both modes of operation than previous proposals and implementations, requiring only three microwave pumps. It offers the advantage of flexibility, as it can dynamically switch between modes of operation as its pump conditions are changed. Moreover, by demonstrating that a single three-wave process yields non-reciprocal devices with reconfigurable functions, our work breaks the ground for the development of future, more-complex directional circuits, and has excellent prospects for on-chip integration.

연구 동기 및 목표

• 서큘레이터와 방향성 증폭기의 기능을 단일 초전도 마이크로파 회로에 통합하는 것.
• 높은 손실을 겪고 서로 다른 물리 원리에 기반한 기존 장치의 한계를 극복하는 것.
• 조지프슨 접합 회로에서의 동일한 삼중파 혼합 과정이 재구성 가능한 功能을 갖춘 비대칭 행동을 유도할 수 있음을 보여주는 것.
• 증폭기 모드에서 양자 제한된 잡음 성능을 달성하면서도 양자 얽힘이 유지되는 낮은 광자 손실을 유지하는 것.
• 펌프 조건을 조절하여 서큘레이터 모드와 증폭기 모드 사이를 동적으로 전환하는 것.

제안 방법

• 비선형 파라메트릭 상호작용을 통해 세 개의 마이크로파 모드가 결합된 조지프슨 접합 기반 초전도 마이크로파 회로를 사용하는 것.
• 세 개의 독립된 마이크로파 펌프를 적용하여 세 모드 간의 동시 쌍별 변환 및/또는 신호 증폭을 유도하는 것.
• 펌프 주파수와 진폭을 조절하여 신호 흐름의 방향성과 증폭도를 제어함으로써 증폭 또는 순환 기능을 가능하게 하는 것.
• 조지프슨 접합의 비선형성을 활용하여 시간 역행 대칭성을 깨는 삼중파 혼합 과정을 유도하고, 비대칭 행동을 실현하는 것.
• 회로를 두 가지 별개의 작동 모드로 설계: 하나는 위상 보존 증폭을 우선시하고, 다른 하나는 방향성 신호 라우팅을 우선시하는 것.
• 다양한 펌프 조건 하에서 잡음 성능과 순환 방향성의 실험적 특성을 측정하여 장치의 기능성을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 조지프슨 접합 기반 회로가 동일한 물리적 메커니즘을 통해 방향성 증폭기 및 서큘레이터 기능을 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ2 방향성 증폭기 모드에서의 장치 잡음 성능은 기존 비방향성 초전도 증폭기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 펌프 파rameter를 조절하여 장치의 순환 방향을 동적으로 뒤바꿀 수 있는가?
• RQ4 동일한 회로 구조가 구조적 변경 없이 증폭기 모드와 서큘레이터 모드 사이에서 얼마나 재구성 가능한가?
• RQ5 삼중파 혼합 과정이 최소한의 광자 손실로 비대칭 행동을 가능하게 하는 데서 수행하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 동일한 물리적 회로가 기존 비방향성 초전도 증폭기와 비교해 유사한 잡음 성능을 보이는 방향성 증폭기로 기능한다.
• 서큘레이터 모드에서 장치는 완전히 가역적인 순환을 나타내며, 펌프 조건을 조절하여 방향을 제어할 수 있다.
• 장치는 낮은 광자 손실을 유지하여 양자 얽힘을 보존하며, 이는 초전도 양자 정보 응용 분야에서 필수적이다.
• 장치는 단지 세 개의 마이크로파 펌프만 필요하여 이전의 비대칭 장치 제안들보다 훨씬 단순하다.
• 펌프 주파수와 진폭을 조절하여 증폭기 모드와 서큘레이터 모드 사이의 전환이 동적으로 이루어지며, 이는 功能 재구성 가능성을 입증한다.
• 실험 결과는 단일 삼중파 혼합 과정이 비대칭 증폭과 라우팅을 동시에 유도할 수 있음을 확인하였으며, 이는 방향성 마이크로파 회로의 온칩 통합을 위한 새로운 길을 열어준다.