[论文解读] High-gain weakly nonlinear flux-modulated Josephson parametric amplifier using a SQUID-array

Xin Zhou, Vivien Schmitt+5 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 19, 2014

Advanced Electrical Measurement Techniques被引用 5

一句话总结

本文提出了一种高增益、弱非线性的通量调制约瑟夫森参量放大器，采用8个SQUID阵列以降低非线性并提高饱和功率。通过以共振器频率两倍的频率参量泵浦SQUID阵列，该器件实现了31 dB增益，20 dB增益时1 dB压缩点为−123 dBm，且增益带宽积超过60 MHz，相较于单个SQUID设计展现出更优的动态范围。

ABSTRACT

We have developed and measured a high-gain quantum-limited microwave parametric amplifier based on a superconducting lumped LC resonator with the inductor L including an array of 8 superconducting quantum interference devices (SQUIDs). This amplifier is parametrically pumped by modulating the flux threading the SQUIDs at twice the resonator frequency. Around 5 GHz, a maximum gain of 31 dB, a product amplitude-gain x bandwidth above 60 MHz, and a 1 dB compression point of -123 dBm at 20 dB gain are obtained in the non-degenerate mode of operation. Phase sensitive amplification-deamplification is also measured in the degenerate mode and yields a maximum gain of 37 dB. The compression point obtained is 18 dB above what would be obtained with a single SQUID of the same inductance, due to the smaller nonlinearity of the SQUID array.

研究动机与目标

• 开发一种真正参量的约瑟夫森参量放大器，通过降低非线性以减轻增益压缩。
• 通过使用SQUID阵列而非单个SQUID来提高饱和输入功率，利用非线性随阵列尺寸的缩放特性。
• 在接近量子极限的条件下实现高增益和宽频带，以适用于量子读出应用。
• 验证弱非线性、通量调制LC共振器中SQUID阵列的参量放大理论模型。

提出的方法

• 放大器基于集总LC共振器构建，其中电感由8个超导量子干涉器件（SQUID）阵列实现。
• 通过以共振器频率两倍的频率（ωP ≈ 2ωR）对SQUID阵列进行通量调制，实现参量放大，支持三波混频（ωP = ωS + ωI）。
• 通过将约瑟夫森电感分布在多个SQUID上，最小化非线性，降低参与比p并抑制高阶非线性。
• 理论建模采用带参量泵浦的非线性振子方程，包含约瑟夫森非线性项α1 ∝ p³/N²和阻尼项Γa = ωR/(2Q)。
• 实验表征在非简并和简并模式下测量增益、带宽和压缩点，并与线性化理论进行比较。
• 泵浦和信号功率的校准误差为±1 dB，数据经±0.8 dB（信号）和−1.0 dB（泵浦）调整后与理论预测匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单个SQUID相比，使用SQUID阵列如何影响通量调制约瑟夫森参量放大器中的非线性和饱和功率？
• RQ2 线性模型在弱非线性参量放大器中对增益、带宽和1 dB压缩点的预测准确度如何？
• RQ3 在优化增益带宽积和动态范围时，品质因数Q、参与比p和阵列尺寸N之间存在何种权衡？
• RQ4 能否实现真正无泵浦泄漏沿信号路径的参量放大器，其性能可与最先进的JPAs相媲美，同时具备更高的输入功率处理能力？

主要发现

• 在非简并模式下，放大器在5 GHz频率下实现最大31 dB增益，增益与带宽的乘积超过60 MHz。
• 在20 dB增益时，1 dB压缩点为−123 dBm，相较于具有相同电感的单个SQUID放大器提升了18 dB。
• 实测增益和带宽与线性理论模型高度一致，验证了设计方法的有效性，尽管存在固有非线性。
• 饱和功率与N²成比例，证实SQUID阵列有效抑制了非线性并提升了动态范围。
• 在简并模式下，相位敏感放大实现最大37 dB增益，展示了器件在量子噪声压缩方面的潜力。
• 理论预测表明，当N ≈ 10、Q ≈ 10且p ≈ 0.25时，可在20 dB增益下实现−100 dBm压缩点和50 MHz带宽。