[论文解读] Characterization of a flux-driven Josephson parametric amplifier with near quantum-limited added noise for axion search experiments

Çağlar Kutlu, Arjan F. van Loo+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 35被引用 45

一句话总结

该论文展示了一款在2.3 GHz频率下工作的磁通驱动约瑟夫森参量放大器（JPA），其附加噪声接近量子极限，在与低温放大器级联后，系统噪声温度达到120 mK。该JPA实现了轴子轴子晕探测实验中接近量子极限的信号检测，通过最小化检测链中的附加噪声，显著提升了暗物质搜寻的灵敏度。

ABSTRACT

The axion, a hypothetical elementary pseudoscalar, is expected to solve the strong CP problem of QCD and is also a promising candidate for dark matter. The most sensitive axion search experiments operate at millikelvin temperatures and hence rely on instrumentation that carries signals from a system at cryogenic temperatures to room temperature instrumentation. One of the biggest limiting factors affecting the parameter scanning speed of these detectors is the noise added by the components in the signal detection chain. Since the first amplifier in the chain limits the minimum noise, low-noise amplification is of paramount importance. This paper reports on the operation of a flux-driven Josephson parametric amplifier (JPA) operating at around 2.3 GHz with added noise approaching the quantum limit. The JPA was employed as a first stage amplifier in an experimental setting similar to the ones used in haloscope axion detectors. By operating the JPA at a gain of 19 dB and cascading it with two cryogenic amplifiers operating at 4 K, noise temperatures as low as 120 mK were achieved for the whole signal detection chain.

研究动机与目标

• 开发适用于毫开尔文温度下运行的轴子轴子晕探测实验的低噪声微波放大器。
• 最小化信号检测链中的附加噪声，该噪声限制了轴子探测器的扫描速度。
• 表征一种磁通驱动JPA作为第一级放大器，在2.3 GHz下实现接近量子极限的性能。
• 在实际轴子搜寻设置中，实现系统噪声温度（Tsys）低至190 mK，接近标准量子极限。
• 在低温环境下验证放大器性能，实现热噪声与电子噪声最小化。

提出的方法

• 该JPA基于超导量子干涉器件（SQUID）与λ/4共面波导谐振器耦合，通过外部磁通实现频率调谐。
• 通过SQUID环路的磁通调制泵浦信号实现三波混频（泵浦、信号与闲频），实现参量放大。
• 放大器采用三级级联结构：第一级为JPA，随后为两台4 K低温HEMT放大器，噪声温度贡献使用Friis公式建模。
• 通过50 mK噪声源和频谱分析仪测量噪声温度，校准通过短路微波接头绕过JPA完成。
• 理论噪声传播建模包括增益项（GJ, Gc, GL）、噪声源（Snf, Sj）及反向传播噪声，总输出噪声功率由级联放大器方程推导得出。
• 系统在800 mK参考平面临校准，通过将测量输出功率与理论模型拟合，以Gtot和Tn作为拟合参数提取噪声温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁通驱动JPA是否能在低温环境下于2.3 GHz频率下实现接近量子极限的附加噪声性能？
• RQ2 当JPA作为轴子晕探测链中第一级放大器时，可实现的最低系统噪声温度（Tsys）是多少？
• RQ3 在2.3 GHz频率下，JPA的噪声性能与标准量子极限（SQL）相比如何？
• RQ4 信号链中损耗或非理想元件对JPA性能的退化程度有多大？
• RQ5 在增益为19 dB时，该放大器能否在轴子搜寻实验中保持低附加噪声并支持快速频率扫描？

主要发现

• 当与两台4 K HEMT放大器级联时，磁通驱动JPA实现了约120 mK的附加噪声温度，总系统噪声温度（Tsys）在浴温50 mK时达到190 mK。
• 实测噪声温度120 mK与2.3 GHz下的标准量子极限（110 mK）相差仅10 mK，表明其性能接近量子极限。
• 放大器实现了19 dB的增益且附加噪声极低，噪声温度在50 mK下多次测量中保持稳定。
• 包含反向传播噪声与器件损耗的级联系统理论模型，准确预测了实测输出噪声，验证了噪声预算方法的有效性。
• 在2.2 GHz以上频率，JPA对磁通噪声的敏感度较低，通过线圈电流控制，谐振频率可在2.18 GHz至2.309 GHz之间调谐。
• 系统在总增益约30 dB时实现120 mK的噪声温度，证实JPA作为轴子轴子晕探测实验有效第一级放大器的性能。