[论文解读] Flux-driven Josephson parametric amplifier

Tsuyoshi Yamamoto, K. Inomata+6 more|ArXiv.org|Aug 10, 2008

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 25

一句话总结

本文提出了一种基于超导共面波导谐振器并由直流 SQUID 终止的磁通驱动约瑟夫森参量放大器，其中约 20 GHz 的微波泵浦信号调制通过 SQUID 的磁通，以参量放大约 10 GHz 的信号。该放大器实现最高 17 dB 的增益，噪声温度低于 0.87 K，展示了可调谐的中心频带和与相位相关的放大/反向放大特性。

ABSTRACT

We have developed a Josephson parametric amplifier, comprising a superconducting coplanar waveguide resonator terminated by a dc SQUID (superconducting quantum interference device). An external field (the pump, $\sim 20$ GHz) modulates the flux threading the dc SQUID, and, thereby, the resonant frequency of the cavity field (the signal, $\sim 10$ GHz), which leads to parametric signal amplification. We operated the amplifier at different band centers, and observed amplification (17 dB at maximum) and deamplification depending on the relative phase between the pump and the signal. The noise temperature is estimated to be less than 0.87 K.

研究动机与目标

• 开发一种具有广泛可调谐中心频带的约瑟夫森参量放大器，以实现量子信息系统中灵活的操作。
• 通过直流 SQUID 的磁通调制实现参量放大与反向放大，且无需直接电流偏置。
• 实现接近量子极限的性能，具备低噪声温度，适用于灵敏的量子测量。
• 通过电感耦合实现泵浦与信号频率的分离，最大限度减少泵浦泄漏至信号路径。

提出的方法

• 放大器采用由直流 SQUID 终止的超导共面波导谐振器，其谐振频率由外部直流磁通偏置控制。
• 在 SQUID 回路中施加约两倍于信号频率（20 GHz）的微波泵浦，以调制磁通，从而诱导约 10 GHz 信号的参量放大。
• 谐振腔的谐振频率在泵浦频率下被动态调制，通过约瑟夫森电感中的时变非线性实现参量增益。
• 泵浦与信号通过不同端口耦合，且在约 20 GHz 处无第二个谐振峰，从而抑制泵浦泄漏至信号线。
• 系统在稀释冰箱中以 30 mK 运行，信号与增益通过方向耦合器和低温 HEMT 放大器测量。
• 通过比较信号增益与背景噪声电平估算噪声温度，同时考虑系统损耗和 HEMT 放大器噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁通驱动的约瑟夫森参量放大器是否能在实现高增益与低噪声温度的同时，实现中心频带的广泛可调？
• RQ2 泵浦与信号载波之间的相对相位如何影响磁通泵浦方案中的放大与反向放大？
• RQ3 由于约瑟夫森结中的非线性，放大器在高输入信号功率下的性能退化程度如何？
• RQ4 在固定中心频带下，放大器的可实现带宽与动态范围是多少，其与器件参数的关系如何？

主要发现

• 当中心频带为 10.00 GHz 时，放大器实现最大 17 dB 增益，信号频率为 10.00 GHz，泵浦频率为 20.00 GHz。
• 在中心频带为 10.78 GHz 时测得 14 dB 增益，增益表现出与信号载波相位的周期性依赖关系，周期为 π。
• 在特定相位值下观察到反向放大（负增益），证实了该放大器具备噪声压缩的潜力。
• 噪声温度估算低于 0.87 K，表明其接近量子极限性能。
• 在固定中心频带下，放大器带宽测量约为 20 MHz，与谐振腔线宽一致。
• 在高输入信号功率（>−120 dBm）下，增益响应出现失真与滞后现象，表明由于约瑟夫森结的非线性饱和效应所致。