[论文解读] Beyond the standard quantum limit of parametric amplification

Michael Renger, Stefan Pogorzalek+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文通过实验表明，在通量驱动的约瑟夫森参数放大器（JPA）中，宽带非简并参数放大可超越0.5量子效率的标准量子极限（SQL），通过利用闲置模式中的信号信息，实现了测量到的0.69 ± 0.02的量子效率。该方法利用信号与闲置频带之间的相关输入模式，消除了额外噪声，从而在宽带微波信号中实现超越SQL的无噪声放大。

ABSTRACT

The low-noise amplification of weak microwave signals is crucial for countless protocols in quantum information processing. Quantum mechanics sets an ultimate lower limit of half a photon to the added input noise for phase-preserving amplification of narrowband signals, also known as the standard quantum limit (SQL). This limit, which is equivalent to a maximum quantum efficiency of $0.5$, can be overcome by employing nondegenerate parametric amplification of broadband signals. We show that, in principle, a maximum quantum efficiency of 1 can be reached. Experimentally, we find a quantum efficiency of $0.69 \pm 0.02$, well beyond the SQL, by employing a flux-driven Josephson parametric amplifier and broadband thermal signals. We expect that our results allow for fundamental improvements in the detection of ultraweak microwave signals.

研究动机与目标

• 克服微波信号相位保持放大中0.5量子效率的标准量子极限（SQL）
• 研究在宽带非简并参数放大区域中，无噪声放大在物理上是否可能
• 通过通量驱动约瑟夫森参数放大器（JPA）实验演示量子效率超过SQL
• 验证在宽带工作条件下，闲置模式可携带信号信息而非作为噪声源
• 为实现宽带参数放大中单位量子效率提供定量标准

提出的方法

• 采用通量驱动的约瑟夫森参数放大器（JPA）以实现宽带微波信号的非简并参数放大
• 使用带宽 $b_s$ 超过临界阈值 $b_2$ 的宽带热输入信号，以确保信号-闲置模式之间的相关性
• 从数字化并滤波后的输出信号中测量四阶矩 $\langle I^m Q^n \rangle$，以提取量子效率
• 应用维纳-辛钦定理，将功率波动与谱密度关联，同时考虑泵浦光子数和热噪声
• 使用幂律模型 $n_J(G) = n_J'(G-1)^\epsilon$ 拟合增益相关的噪声 $n_J(G)$，以描述泵浦引起的涨落
• 比较窄带与宽带区域的量子效率，以隔离信号带宽对噪声性能的影响

实验结果

研究问题

• RQ1 在宽带微波信号中，参数放大的量子效率是否可以超过0.5的标准量子极限（SQL）？
• RQ2 在非简并参数放大中，闲置模式在何种条件下不再作为噪声源，而是携带信号信息？
• RQ3 是否可能在宽带参数放大中实现单位量子效率（$\eta = 1$），以及所需信号带宽是多少？
• RQ4 泵浦光子数涨落如何影响JPA中测量到的量子效率？
• RQ5 在宽带区域中，量子效率的增益依赖性是否遵循可预测的函数形式？

主要发现

• 实验实现了 $0.69 \pm 0.02$ 的量子效率，显著超过0.5的标准量子极限
• 通过利用相关联的信号与闲置模式，宽带非简并参数放大区域实现了无噪声放大，从而避免了标准量子极限
• 当信号带宽超过临界阈值 $b_2$ 时，测量到的量子效率超过SQL，此时闲置模式携带信号信息
• 增益相关的噪声行为由幂律模型 $n_J(G) = n_J'(G-1)^\epsilon$ 良好描述，表明泵浦引起的光子数涨落是主要噪声源
• 在宽带区域中，量子效率不存在基本的量子极限，因此未来有望实现单位效率
• 结果验证了当信号带宽足够宽时，闲置模式有助于信号放大而非引入噪声