[论文解读] Nonreciprocal devices based on voltage-tunable junctions

Catherine Leroux, A. Parra-Rodriguez+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Magneto-Optical Properties and Applications被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在混合超导-半导体电路中实现电压可调的通量-电荷相互作用（FENNEC），以仅使用静态磁场实现非互易器件。通过利用可调约瑟夫森结耦合通量与电荷自由度，作者展示了具有高非互易性的无源片上旋磁器，从而在无需动态驱动或复杂对称性的情况下，实现未来紧凑型环形器和量子信号路由器。

ABSTRACT

We propose to couple the flux degree of freedom of one mode with the charge degree of freedom of a second mode in a hybrid superconducting-semiconducting architecture. Nonreciprocity can arise in this architecture in the presence of external static magnetic fields alone. We leverage this property to engineer a passive on-chip gyrator, the fundamental two-port nonreciprocal device which can be used to build other nonreciprocal devices such as circulators. We analytically and numerically investigate how the nonlinearity of the interaction, circuit disorder and parasitic couplings affect the scattering response of the gyrator.

研究动机与目标

• 开发一种打破时间反演对称性的非互易器件架构，无需动态驱动或复杂几何结构。
• 利用电压可调约瑟夫森结，构建通量-电荷相互作用（FENNEC），以实现电路模式之间的非互易耦合。
• 设计并分析一种基于FENNEC耦合的无源片上旋磁器，作为量子电路中的构建模块。
• 研究在电路无序、寄生耦合和非线性等实际非理想条件下的非互易响应鲁棒性。

提出的方法

• 通过基于半导体纳米线、二维电子气（2DEG）或石墨烯的电压可调超导结实现FENNEC相互作用，利用栅压调节约瑟夫森能。
• 通量-电荷耦合源于这些结中Andreev束缚态能谱的非线性，实现通量与电荷算符之间的混合正交相互作用。
• 采用平均场分析推导描述通过FENNEC耦合连接的两个共振模式之间相互作用的有效哈密顿量。
• 通过数值模拟评估旋磁器在实际条件下的散射响应，包括系统无序和寄生耦合。
• 基于FENNEC旋磁器设计三端口环形器，采用阻抗匹配的LC谐振器负载，并使用经典散射矩阵分析。
• 通过频域中的基尔霍夫方程推导散射矩阵，结果表明在阻抗匹配和共振条件下表现出理想环形器行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 静态、电压可调的通量-电荷相互作用（FENNEC）是否可在超导电路中实现非互易性，而无需参量驱动或时间调制？
• RQ2 FENNEC耦合的非线性如何影响旋磁器的散射响应与非互易性能？
• RQ3 电路无序与寄生耦合对非互易响应保真度与带宽有何影响？
• RQ4 基于FENNEC的旋磁器能否作为可扩展的片上环形器构建模块，用于量子信息处理？
• RQ5 在经典散射矩阵形式中，系统在何种条件下可实现理想环形器行为？

主要发现

• FENNEC耦合仅通过静态磁场与电压可调结即可在超导电路中实现非互易性，无需动态驱动。
• 所提出的旋磁器在阻抗匹配与共振条件下，其散射矩阵响应趋近于理想环形器矩阵：S → [[0,1,0],[0,0,-1],[1,0,0]]。
• 数值模拟证实，非互易响应对中等程度的电路无序与寄生耦合具有鲁棒性。
• FENNEC相互作用的非线性会引入散射响应的高阶修正，但其大小受阻抗与量子电阻尺度的限制。
• 当模式阻抗满足涉及量子电阻R_Q ≈ 6.5 kΩ的特定约束时，有效哈密顿量中的误差项被证明很小。
• 该设计实现了基于FENNEC旋磁器的无源、片上三端口环形器，适用于集成于量子计算架构中。