[論文レビュー] Demonstration of a Quantum Noise Limited Traveling-Wave Parametric Amplifier

Nikita Klimovich, Peter K. Day+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

Gyrotron and Vacuum Electronics Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、NbTiNマイクロストリップと非アモルファスシリコン誘電体を用い、分散工学を用いて20 mKで20 dBの利得と量子限界ノイズ性能を達成した、広帯域で量子ノイズ限界の旅行波パラメトリック増幅器（TWPA）を実証している。さらに、位相感受性動作点で8 dBの真空ノイズ圧縮を達成し、高感度マイクロ波量子測定への応用可能性を裏付けた。

ABSTRACT

Recent progress in quantum computing and the development of novel detector technologies for astrophysics is driving the need for high-gain, broadband, and quantum-limited amplifiers. We present a purely traveling-wave parametric amplifier (TWPA) using an inverted NbTiN microstrip and amorphous Silicon dielectric. Through dispersion engineering, we are able to obtain $50~Ω$ impedance matching and suppress undesired parametric processes while phase matching the three-wave-mixing amplification across a large range of frequencies. The result is a broadband amplifier operating with 20 dB gain and quantum-limited noise performance at 20 mK. At the single frequency where the amplifier is phase sensitive, we further demonstrate 8 dB of vacuum noise squeezing.

研究の動機と目的

• 量子コンputィングおよび宇宙背景放射探査に適した、高利得・広帯域・量子限界のマイクロ波増幅器の開発を目的とする。
• 従来のHEMTおよびジョセフソンパラメトリック増幅器（JPA）の限界、特に高いノイズ温度と限られたダイナミックレンジを克服することを目的とする。
• 離散的ジョセフソン接合を用いない、運動エネルギー誘導非線形性に基づく完全な旅行波パラメトリック増幅器の実現を目的とする。
• 分散工学を用いて、広帯域にわたる位相一致を実現し、同時に広帯域利得（20 dB）と量子限界ノイズ性能を達成することを目的とする。
• 真空ノイズ圧縮の実証により、非古典的状態を生成し、量子強化センシングに応用可能な増幅器の能力を確認することを目的とする。

提案手法

• TWPAは、シリコン基板上に逆方向のNbTiNマイクロストリップと190 nmの非アモルファスシリコン誘電体層を用い、高い運動エネルギー誘導率と低損失を実現している。
• 50 Ωインピーダンス整合と単位長あたりの静電容量の増加を目的として、周期的な容量ステブ（長さ26 µm、間隔2 µm）を用いている。
• ステブ長さの正弦波的変調（周期110 µm、振幅2 µm）により、9 GHz近傍に光的バンドギャップを形成し、広帯域にわたる三波混合の位相一致を実現している。
• 低位相速度（0.0078c）を達成し、分散工学によりポンプ高調波を抑制することで、不要なパラメトリック過程を防止している。
• 冷媒スイッチと減衰入力ラインを備えた改良型y因子法により、システムノイズ温度と増幅器利得の正確な測定が可能になっている。
• ポンプと信号を共通の合成器にロックし、位相を可変にすることで位相感受性動作を実現。IQ混合を用いて増幅されたおよび圧縮された四元数を測定している。

Figure 1: A top view of the TWPA design and a photo of 76 such devices on a four inch wafer (top-right) .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動エネルギー誘導性に基づく完全な旅行波パラメトリック増幅器が、数ギガヘルツにわたる広帯域利得と量子限界ノイズ性能を達成できるか？
• RQ2 NbTiNマイクロストリップ構造における分散工学が、不要なパラメトリック過程を抑制しつつ、広帯域にわたる位相一致を実現できるか？
• RQ3 増幅器はどの程度まで真空ノイズ圧縮を達成できるか。また、その性能は標準量子限界と比較してどうか？
• RQ4 TWPA設計にジョセフソン接合が存在しないことで、従来のJPAと比較してより高いダイナミックレンジと優れた耐障害性が達成できるか？
• RQ5 増幅された四元数において、システムノイズ温度が標準量子限界を下回るか。また、達成可能な圧縮レベルはどの程度か？

主な発見

• TWPAは、5.65 GHzを中心として数ギガヘルツにわたる広帯域で約20 dBの利得を達成し、50 Ωインピーダンス整合設計となっている。
• ノイズ性能は実験的に量子限界であることが確認され、高利得時における増幅四元数の追加ノイズが0.27量子に抑えられている。
• 20 mKで動作させることで、増幅四元数におけるシステムノイズ温度が標準量子限界を下回っている。
• 位相感受性動作点（ポンプ周波数11.313 GHz）で、最大8 dBの真空ノイズ圧縮が生成され、非古典的状態生成の実証がなされた。
• 残存ノイズの影響により、測定された圧縮レベルは理想の直線性からわずかにずれているが、圧縮四元数における最大追加ノイズは0.16量子に抑えられている。
• ジョセフソン接合が存在しないため、JPAと比較してダイナミックレンジが著しく向上し、1 dB圧縮が発生する前の強い信号の増幅が可能になっている。

Figure 2: A schematic diagram of the measurement setup.