[论文解读] Flux-driven Josephson parametric amplifiers: Hysteretic flux response and nondegenerate gain measurements

Stefan Pogorzalek, Kirill G. Fedorov+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 41被引用 9

一句话总结

该论文对通量驱动的约瑟夫森参量放大器（JPAs）进行了全面研究，表明由于dc-SQUID中存在有限的屏蔽参数，其谐振频率表现出对外部磁通量的滞后依赖性。通过二维势能景观的数值模拟和分布参数模型，作者与实验数据高度吻合，表明在耦合不足的JPAs中可实现高达-30 dB增益的可调谐微波衰减器，而耦合过度的JPAs则表现为线性放大器。

ABSTRACT

Josephson parametric amplifiers (JPA) have become key devices in quantum science and technology with superconducting circuits. In particular, they can be utilized as quantum-limited amplifiers or as a source of squeezed microwave fields. Here, we report on the detailed measurements of five flux-driven JPAs, three of them exhibiting a hysteretic dependence of the resonant frequency versus the applied magnetic flux. We model the measured characteristics by numerical simulations based on the two-dimensional potential landscape of the dc superconducting quantum interference devices (dc-SQUID), which provide the JPA nonlinearity, for a finite screening parameter $β_\mathrm{L}\,{>}\,0$ and demonstrate excellent agreement between the numerical results and the experimental data. Furthermore, we study the nondegenerate response of different JPAs and accurately describe the experimental results with our theory.

研究动机与目标

• 理解具有有限屏蔽参数的通量驱动约瑟夫森参量放大器（JPAs）中谐振频率对通量的滞后响应。
• 利用dc-SQUID势能景观的经典模拟，建立谐振频率与外部磁通量依赖关系的模型。
• 研究在不同耦合状态（弱耦合与强耦合）下JPAs的非简并增益行为。
• 将理论预测与非简并工作模式下信号和本振增益的实验测量结果进行验证。
• 证明JPA的谐振频率可作为dc-SQUID状态的非侵入式读出方式，从而实现量子态制备。

提出的方法

• 对dc-SQUID的二维势能景观进行数值模拟，以建模在外部通量和屏蔽参数 $\beta_{\mathrm{L}}$ 变化下的相位粒子动力学。
• 采用分布参数模型，描述JPA的谐振频率 $\omega_0$ 随通量和 $\beta_{\mathrm{L}}$ 的变化关系。
• 应用线性化参量放大器理论形式，描述非简并增益，将泵浦功率和频率作为控制参数。
• 将耦合强度 $g$ 作为自由参数拟合实验增益谱，得到弱耦合JPA的 $g \approx 0.17\ \mathrm{V^{-1}}$。
• 对比理论预测与不同JPA样品的实验数据，分析信号和本振增益谱的匹配程度。
• 基于内部与外部阻尼速率之比（$\kappa_{\mathrm{int}}$ 与 $\kappa_{\mathrm{ext}}$）分析放大器与衰减器行为之间的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限屏蔽参数 $\beta_{\mathrm{L}}$ 如何影响JPA谐振频率的滞后通量响应？
• RQ2 在弱耦合JPAs中，放大与去放大行为之间的转变由什么决定？
• RQ3 dc-SQUID势能景观模型在多大程度上能定量再现实验测得的通量依赖频率响应？
• RQ4 线性化参量放大器模型对JPAs的非简并增益响应的描述有多准确？
• RQ5 谐振频率能否作为dc-SQUID状态的非侵入式读出方式，用于量子控制？

主要发现

• 所有三个具有有限 $\beta_{\mathrm{L}}$ 的样品中，通量驱动JPAs的谐振频率均表现出对外部通量的滞后依赖性，与dc-SQUID势能景观的数值模拟结果一致。
• 模拟与实验的通量响应结果高度吻合，证实即使 $\beta_{\mathrm{L}} \ll 1$ 时，其行为也与 $\beta_{\mathrm{L}} = 0$ 时有显著差异。
• 在弱耦合状态下，JPA 3表现出高达-30 dB的信号去放大效应，且随泵浦功率增加而增强，证实其作为可调谐微波衰减器的特性。
• 相比之下，强耦合的JPA 1表现出增益随泵浦功率增加而上升，符合标准放大器行为。
• 非简并增益谱的理论预测与实验数据高度一致，仅需将 $g \approx 0.17\ \mathrm{V^{-1}}$ 作为唯一拟合参数。
• 该模型通过增益表达式分子符号在临界泵浦强度 $\epsilon_{\mathrm{crit}}$ 处的变化，解释了从放大器到衰减器行为的转变，该临界值取决于 $\kappa_{\mathrm{int}}$ 和 $\kappa_{\mathrm{ext}}$。