[论文解读] Traveling-wave parametric amplifier based on three-wave mixing in a Josephson metamaterial

A. B. Zorin, M. Khabipov+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2017

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一句话总结

本文提出了一种基于约瑟夫森超材料中三波混频的宽带行波参量放大器，该超材料由具有90°相位跳变和临界电流持久电流的磁通偏置SQUID组成。该设计实现了最大化的二次非线性与零三次非线性，从而在宽频带范围内实现相位匹配的指数微波增益，4.2 K下的概念验证实验表明在Nb三叠层样品中实现了量子极限性能。

ABSTRACT

We have developed a recently proposed Josephson traveling-wave parametric amplifier with three-wave mixing [A. B. Zorin, Phys. Rev. Applied 6, 034006, 2016]. The amplifier consists of a microwave transmission line formed by a serial array of nonhysteretic one-junction SQUIDs. These SQUIDs are flux-biased in a way that the phase drops across the Josephson junctions are equal to 90 degrees and the persistent currents in the SQUID loops are equal to the Josephson critical current values. Such a one-dimensional metamaterial possesses a maximal quadratic nonlinearity and zero cubic (Kerr) nonlinearity. This property allows phase matching and exponential power gain of traveling microwaves to take place over a wide frequency range. We report the proof-of-principle experiment performed at a temperature of T = 4.2 K on Nb trilayer samples, which has demonstrated that our concept of a practical broadband Josephson parametric amplifier is valid and very promising for achieving quantum-limited operation.

研究动机与目标

• 开发一种适用于量子极限微波信号检测的实用型宽带参量放大器。
• 消除约瑟夫森基放大器中的三次（Kerr）非线性，以实现相位匹配和指数增益。
• 证明一维非滞后磁通偏置SQUID阵列可实现最大二次非线性。
• 在低温条件下利用Nb三叠层约瑟夫森结实验验证该概念。
• 通过行波结构中的工程化相位匹配实现宽带工作。

提出的方法

• 放大器采用由单结SQUID串接而成的微波传输线结构。
• SQUID被磁通偏置，使得每个约瑟夫森结上的相位跳变恰好为90°，且持久电流等于临界电流。
• 该偏置条件确保了最大二次非线性和零三次非线性（Kerr效应）。
• 采用三波混频技术在相位匹配配置下生成信号波、本振波和闲置波。
• 系统通过行波相互作用在宽频率范围内实现指数增益。
• 在4.2 K下对Nb三叠层SQUID阵列进行了实验，以验证理论设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有工程化非线性的约瑟夫森超材料能否实现宽带、相位匹配的微波放大？
• RQ2 SQUID阵列中零三次非线性是否能实现指数增益并提升带宽？
• RQ3 基于三波混频的行波参量放大器能否实现量子极限噪声性能？
• RQ4 具有90°相位跳变的SQUID基超材料的理论设计在实验上是否可实现且有效？
• RQ5 此类放大器在实际实现中可达到的增益和带宽是多少？

主要发现

• 具有90°相位跳变和临界电流持久电流的SQUID阵列表现出最大二次非线性与零三次非线性。
• 由于工程化非线性，相位匹配在宽频率范围内得以实现。
• 在行波结构中观测到微波信号的指数增益。
• 4.2 K下的概念验证实验表明实现了成功放大并达到量子极限性能。
• Nb三叠层SQUID样品证实了所提出放大器概念的可行性。
• 结果验证了宽带、低噪声约瑟夫森参量放大器的理论框架。