[论文解读] 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 7

一句话总结

该论文展示了一种基于NbTiN微带线和非晶硅介质的宽带、量子噪声极限行波参量放大器（TWPA），通过色散工程在20 mK下实现了20 dB增益和量子极限噪声性能。此外，在相位敏感工作点实现了8 dB的真空噪声压缩，验证了其在高灵敏度微波量子测量中的潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于量子计算和天体物理探测的高增益、宽带、量子极限微波放大器。
• 克服传统HEMT和约瑟夫森参量放大器（JPA）的局限性，包括高噪声温度和有限动态范围。
• 实现一种纯行波参量放大器，利用动能电感非线性，无需离散约瑟夫森结。
• 通过色散工程实现同时具备宽带增益（20 dB）和量子极限噪声性能。
• 展示真空噪声压缩，证实放大器具备生成非经典态以实现量子增强传感的能力。

提出的方法

• TWPA采用在硅基板上倒置的NbTiN微带线结构，配以190 nm厚的非晶硅介质层，实现高动能电感和低损耗。
• 使用周期性电容突起（长26 µm，间距2 µm）实现50 Ω阻抗匹配并提高单位长度电容。
• 通过正弦调制突起长度（周期110 µm，振幅2 µm），在约9 GHz处形成光子禁带，实现三波混频的相位匹配，覆盖宽频带。
• 设计实现低相速度（0.0078c），并通过色散工程抑制本振谐波，防止不必要的参量过程。
• 采用改进的y因子法，结合低温开关和衰减输入线，实现系统噪声温度和放大器增益的精确测量。
• 通过将本振和信号锁定至同一合成器并调节相位，实现相位敏感工作，利用IQ混频测量放大和压缩的正交分量。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 基于动能电感的纯行波参量放大器能否在几GHz带宽内实现增益并达到量子极限噪声性能？
• RQ2 在NbTiN微带结构中，色散工程能否在抑制非期望参量过程的同时，实现宽频带范围内的相位匹配？
• RQ3 该放大器在多大程度上可实现真空噪声压缩？其性能与标准量子极限相比如何？
• RQ4 由于TWPA设计中无约瑟夫森结，其动态范围是否显著优于传统JPA，且具备更高鲁棒性？
• RQ5 能否在放大正交分量中实现系统噪声温度低于标准量子极限？可实现的压缩水平是多少？

主要发现

• TWPA在中心频率5.65 GHz附近实现了约20 dB的宽带增益，覆盖数个GHz，且为50 Ω阻抗匹配设计。
• 实验验证噪声性能为量子极限，当增益较高时，放大正交分量的附加噪声为0.27量子。
• 放大器在20 mK下工作，实现放大正交分量的系统噪声温度低于标准量子极限。
• 在相位敏感工作点（本振频率11.313 GHz），TWPA实现了高达8 dB的真空噪声压缩，证实了非经典态的生成。
• 由于残留噪声，测得的压缩水平与理想线性略有偏差，对应压缩正交分量的最大附加噪声为0.16量子。
• 由于无结结构，TWPA的动态范围显著优于JPA，可在1 dB压缩前放大更强信号。

Figure 2: A schematic diagram of the measurement setup.