[论文解读] Quantum Dot-Based Parametric Amplifiers

Laurence Cochrane, Theodor Lundberg+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 24被引用 1

一句话总结

本文提出并演示了一种基于量子点的参量放大器（QDPA），利用CMOS纳米线晶体管中硅双量子点的量子电容作为无耗散非线性元件。在1.8 GHz的超导腔中实现了−3至+3 dB的相位敏感参量增益，该QDPA为约瑟夫森参量放大器提供了互补方案，在半导体集成和抗磁场干扰方面具有潜在优势。

ABSTRACT

Josephson parametric amplifiers (JPAs) approaching quantum-limited noise performance have been instrumental in enabling high fidelity readout of superconducting qubits and, recently, semiconductor quantum dots (QDs). We propose that the quantum capacitance arising in electronic two-level systems (the dual of Josephson inductance) can provide an alternative dissipation-less non-linear element for parametric amplification. We experimentally demonstrate phase-sensitive parametric amplification using a QD-reservoir electron transition in a CMOS nanowire split-gate transistor embedded in a 1.8~GHz superconducting lumped-element microwave cavity, achieving parametric gains of -3 to +3 dB, limited by Sisyphus dissipation. Using a semi-classical model, we find an optimised design within current technological capabilities could achieve gains and bandwidths comparable to JPAs, while providing complementary specifications with respect to integration in semiconductor platforms or operation at higher magnetic fields.

研究动机与目标

• 基于半导体量子点中的量子电容，开发一种无耗散非线性元件，用于参量放大。
• 实现与半导体量子计算平台兼容的高保真度、低噪声微波放大。
• 探索一种替代约瑟夫森结基参量放大器的方案，具备抗磁场干扰能力并可与CMOS技术集成。
• 在超导微波腔中，通过量子点-库的跃迁实现相位敏感的参量放大。

提出的方法

• 利用CMOS纳米线分栅场效应晶体管定义一个与库相连的双量子点。
• 利用量子点与库之间电子循环隧穿产生的量子电容作为非线性电抗元件。
• 将量子点嵌入1.8 GHz的超导集总常数微波腔中，实现谐振放大。
• 采用半经典模型预测在当前制造能力下最优的设计参数（增益与带宽）。
• 在ωp = ωs + ωi的微波泵浦下，介导信号与本底模式之间的能量交换。
• 采用低温放大、I/Q解调与谱分析技术进行信号检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 半导体量子点中的量子电容能否作为可行的、无耗散的非线性元件用于参量放大？
• RQ2 在当前技术条件下，基于QD的放大器可实现的参量增益与带宽是多少？
• RQ3 与约瑟夫森结基参量放大器相比，QDPA在噪声性能和集成兼容性方面表现如何？
• RQ4 与JJ基放大器相比，QDPA在抗磁场干扰方面具有多大程度的鲁棒性？
• RQ5 西西弗斯耗散是否会限制QDPA的性能，以及如何缓解？

主要发现

• QDPA实现了−3 dB至+3 dB的相位敏感参量增益，其上限受西西弗斯耗散限制。
• 实测增益与半经典模型预测结果一致，该模型在当前制造能力范围内预测了最优性能。
• 量子点的量子电容提供了可调谐、无耗散的非线性电抗，适用于参量放大。
• 该器件在1.8 GHz超导腔中工作，证明了其与现有微波量子架构的兼容性。
• 由于其CMOS兼容设计和抗磁场特性，QDPA在与半导体量子计算平台集成方面展现出潜力。
• 西西弗斯耗散被识别为关键性能限制因素，制约了最大可实现增益。