[논문 리뷰] Traveling-wave parametric amplifier based on three-wave mixing in a Josephson metamaterial

A. B. Zorin, M. Khabipov외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 08.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 90° 위상 강하와 임계 전류 영구 전류를 갖는 플럭스-비bias SQUID로 구성된 플럭스-비bias 조성된 조성물에서 삼파동 혼합을 통한 광대역 전파파형 매개변수 증폭기를 제시한다. 이 설계는 최대의 이차 비선형성과 제로 삼차 비선형성을 실현하여, 넓은 대역에서 위상 일치하는 지수적 마이크로파 증폭을 가능하게 하며, 4.2 K에서의 개념 증명 실험을 통해 Nb 삼층 구조에서 양자 제한 성능을 입증한다.

ABSTRACT

We have developed a recently proposed Josephson traveling-wave parametric amplifier with three-wave mixing [A. B. Zorin, Phys. Rev. Applied 6, 034006, 2016]. The amplifier consists of a microwave transmission line formed by a serial array of nonhysteretic one-junction SQUIDs. These SQUIDs are flux-biased in a way that the phase drops across the Josephson junctions are equal to 90 degrees and the persistent currents in the SQUID loops are equal to the Josephson critical current values. Such a one-dimensional metamaterial possesses a maximal quadratic nonlinearity and zero cubic (Kerr) nonlinearity. This property allows phase matching and exponential power gain of traveling microwaves to take place over a wide frequency range. We report the proof-of-principle experiment performed at a temperature of T = 4.2 K on Nb trilayer samples, which has demonstrated that our concept of a practical broadband Josephson parametric amplifier is valid and very promising for achieving quantum-limited operation.

연구 동기 및 목표

• 양자 제한 마이크로파 신호 탐지에 적합한 실용적이고 광대역 매개변수 증폭기를 개발하기 위해.
• 조성물 기반 증폭기에서 삼차(켈러) 비선형성을 제거하여 위상 일치와 지수적 증폭을 가능하게 하기 위해.
• 일차원 배열의 히스테리시스 없는 플럭스-비bias SQUID가 최대의 이차 비선형성을 실현할 수 있음을 입증하기 위해.
• 저온에서 Nb 삼층 조성물 기반 조성물에 기반한 개념을 실험적으로 검증하기 위해.
• 전파파형 구조에서 공학된 위상 일치를 통해 광대역 작동을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 증폭기는 일점접속 SQUID의 직렬 배열로 구성된 마이크로파 전송선로 구성된다.
• SQUID는 각 조성물 기반 조성물의 위상 강하가 90°이고 영구 전류가 임계 전류와 동일하도록 플럭스-비bias된다.
• 이 비bias 조건은 최대의 이차 비선형성과 제로 삼차 비선형성(켈러 효과)을 보장한다.
• 삼파동 혼합을 통해 위상 일치하는 구성에서 신호파, 아이들러파, 풀스파를 생성한다.
• 이 시스템은 넓은 주파수 범위에서 전파파형 상호작용을 통해 지수적 증폭을 지원한다.
• 이론적 설계의 검증을 위해 4.2 K에서 Nb 삼층 SQUID 배열에서 실험을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공학된 비선형성을 갖는 조성물 기반 조성물이 광대역 위상 일치 마이크로파 증폭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 SQUID 배열에서 삼차 비선형성이 제로일 경우 지수적 증폭과 향상된 대역폭이 가능한가?
• RQ3 삼파동 혼합 기반 전파파형 매개변수 증폭기가 양자 제한 잡음 성능을 갖는가?
• RQ4 90° 위상 강하를 갖는 SQUID 기반 조성물의 이론적 설계는 실험적으로 실현 가능하고 기능하는가?
• RQ5 실제 적용에서 이러한 증폭기의 도달 가능한 증폭도와 대역폭은 얼마인가?

주요 결과

• 90° 위상 강하와 임계 전류 영구 전류를 갖는 SQUID 배열은 최대의 이차 비선형성과 제로 삼차 비선형성을 나타낸다.
• 공학된 비선형성 덕분에 넓은 주파수 범위에서 위상 일치가 실현된다.
• 전파파형 구성에서 마이크로파 신호의 지수적 증폭이 관측된다.
• 4.2 K에서의 개념 증명 실험은 양자 제한 성능을 갖는 성공적인 증폭을 입증한다.
• Nb 삼층 SQUID 샘플은 제안된 증폭기 개념의 실현 가능성을 확인한다.
• 결과는 광대역 저잡음 조성물 매개변수 증폭기의 이론적 프레임워크를 검증한다.