[论文解读] Fast and Ultrasensitive Electrometer Operating at the Single-Photon Level

B. L. Brock, Juliang Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 55被引用 5

一句话总结

该论文展示了一种嵌入空腔的 Cooper 对晶体管（cCPT），在仅使用 16 aW 微波功率的情况下，实现了单光子级别的电荷探测，最小灵敏度为 14 µe/√Hz，带宽约为 1 MHz。该器件的性能接近量子极限，适用于需要极低测量扰动的量子光机械系统，实现超灵敏、低反作用力的电学测量。

ABSTRACT

We demonstrate fast and ultrasensitive charge detection with a cavity-embedded Cooper pair transistor (cCPT) via dispersive readout of its Josephson inductance. We report a minimum charge sensitivity of $14$ $\mu e/\sqrt{\mathrm{Hz}}$ with a detection bandwidth on the order of $1$ MHz using $16$ attowatts of power, corresponding to the single-photon level of the cavity. In addition, our measured sensitivities are within a factor of $5$ of the quantum limit for this device. The single-photon-level sensitivity of the cCPT is comparable to that of the rf-SET, which typically operates using picowatts of power corresponding to hundreds of thousands of photons in its tank circuit. Our results support the feasibility of using the cCPT to mediate an optomechanical interaction that reaches the single-photon strong coupling regime.

研究动机与目标

• 开发一种在单光子水平运行的快速、超灵敏电表，以实现低反作用力的量子测量。
• 通过嵌入空腔的 Cooper 对晶体管（cCPT）实现接近量子极限的电荷探测灵敏度。
• 展示在 cCPT 中通过非简并微波反射测量实现约瑟夫森电感的读出，以实现高保真度、低功耗的电荷传感。
• 探索利用 cCPT 在光机械系统中实现单光子强耦合的可行性。
• 通过在单光子功率水平下运行，将测量反作用力最小化，与接近量子极限的放大器兼容。

提出的方法

• 采用嵌入空腔的 Cooper 对晶体管（cCPT），其中 CPT 量子点上的约瑟夫森电感受栅极电荷和外部磁通调制，从而调节空腔的谐振频率。
• 利用非简并微波反射测量技术检测空腔谐振频率的偏移，该偏移编码了 CPT 量子点上的栅极电荷。
• 在 16 aW 的微波功率下运行系统，对应于空腔中的单光子水平，以最小化测量反作用力。
• 通过测量空腔频率对栅极电荷变化的微分响应来确定电荷灵敏度，灵敏度由光子散粒噪声极限推导得出。
• 基于单光子散粒噪声的理论模型，预测 cCPT 的量子极限灵敏度。
• 通过一个长 5135 µm 的 λ/4 平面微带空腔对器件进行表征，其总线宽为 1.4 MHz，固有频率为 5.76 GHz。

实验结果

研究问题

• RQ1 嵌入空腔的 Cooper 对晶体管能否实现空腔中单光子级别的电荷灵敏度？
• RQ2 cCPT 的实测灵敏度与该器件的理论量子极限接近到何种程度？
• RQ3 在单光子功率水平下，限制性能的主要噪声源是什么？
• RQ4 cCPT 是否能在单光子水平下实现光机械系统中的强耦合？
• RQ5 准粒子中毒和器件非线性相对于理想量子极限，对性能的退化程度如何？

主要发现

• cCPT 在约 1 MHz 的检测带宽下实现了最低 14 µe/√Hz 的电荷灵敏度。
• 该器件仅在 16 aW 的微波功率下运行，对应于空腔中的单光子水平，从而实现了最小的测量反作用力。
• 实测灵敏度与理论量子极限相差不到 5 倍，偏差主要归因于频率噪声、放大器噪声和器件非线性。
• 准粒子中毒限制了器件达到其理论最优工作点，表明经过优化的样品可能实现低至 0.4 µe/√Hz 的灵敏度。
• 结果支持使用 cCPT 实现光机械系统中单光子强耦合区域的可行性。
• 与传统 rf-SET 相比，cCPT 在功率效率方面表现更优，其工作在单光子水平，而 rf-SET 通常在皮瓦量级运行。