Невырожденный параметрический СВЧ-усилитель на контактах Джозефсона Nb/AlOX/Nb с квантовым уровнем шумов для обработки квантовой информации

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Представлены результаты разработки сверхпроводящего параметрического СВЧ-усилителя на контакте Джозефсона (ДПУ), предназначенного, в частности, для считывания состояний сверхпроводящих кубитов. Продемонстрированы добавленный шум усилителя, близкий к квантовому пределу, и режим невырожденного четырехволнового усиления. Создание схемы ДПУ на основе ниобиевой технологии представляет значительный практический интерес в связи с долговечностью ниобиевых схем и с более высокой критической температурой материала по сравнению с распространенной алюминиевой технологией. Невырожденный режим работы ДПУ удобен для частотного разделения каналов сигнала и накачки. Микросхема усилителя состоит из четвертьволнового копланарного резонатора с массивом из трех СКВИДов.

Full Text

Restricted Access

About the authors

И. С. Беседин

Национальный исследовательский технологический университет МИСИС

Email: alexandre.karpov@yahoo.com

Лаборатория сверхпроводниковых квантовых технологий 

Russian Federation, 119049, Москва, Ленинский просп., 4, с. 1

И. Е. Пологов

Национальный исследовательский технологический университет МИСИС

Email: alexandre.karpov@yahoo.com

Лаборатория сверхпроводниковых квантовых технологий 

Russian Federation, 119049, Москва, Ленинский просп., 4, с. 1

Л. В. Филиппенко

Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской академии наук

Email: alexandre.karpov@yahoo.com
Russian Federation, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, к. 7

В. П. Кошелец

Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской академии наук

Email: alexandre.karpov@yahoo.com
Russian Federation, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, к. 7

А. В. Карпов

Национальный исследовательский технологический университет МИСИС

Author for correspondence.
Email: alexandre.karpov@yahoo.com

Лаборатория сверхпроводниковых квантовых технологий

Russian Federation, 119049, Москва, Ленинский просп., 4, с. 1

References

  1. Gambetta J., Blais A., Boissonneault M, Houck A.A., Schuster D.I., Girvin S.M. // Phys. Rev. A. 2008. V. 77. P. 012112. http://doi.org/10.1103/PhysRevA.77.012112
  2. Roch N., Schwartz M.E., Motzoi F. et al. // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 112. P. 170501. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.170501
  3. Weber S.J., Murch K.W., Kimchi-Schwartz M.E., Roch N., Siddiqi I. // Compt. Rend. Phys. 2016. V. 17. P. 766. http://doi.org/10.1016/j.crhy.2016.07.007
  4. Reed M.D., Dicarlo L., Nigg S.E. Sun L, Frunzio L., Girvin S.M., Schoelkopf R.J. // Nature. 2012. V. 482. P. 382. http://doi.org/10.1038/nature10786
  5. Eichler C, Bozyigit D, Lang C, Baur M, Steffen L, Fink J.M., Filipp S., Wallraff A. // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. P. 113601. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.113601
  6. Clerk A.A., Devoret M.H., Girvin S.M., Marquardt F., Schoelkopf R.J. // Rev. Mod. Phys. 2010. V. 82. P. 1155. http://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.1155
  7. Eichler C., Wallraff A. // EPJ Quantum Technol. 2014. V. 1. № 2. http://doi.org/10.1140/epjqt2
  8. Eichler C., Salathe Y., Mlynek J., Schmidt S., Wallraff A. // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. P. 110502. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.110502
  9. Roy A., Devoret M. // Compt. Rend. Phys. 2016. V. 17(7). P. 740. http://doi.org/10.1016/j.crhy.2016.07.012
  10. Devoret M., Roy A. // Compt. Rend. Phys. 2016. V. 17. №. 7. P. 740. http://doi.org/10.1016/j.crhy.2016.07.012
  11. Mutus J.Y., White T.C., Barends R. et al. // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 104. P. 263513. http://doi.org/10.1063/1.4886408
  12. Roy T., Kundu S., Chand M. et al. // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 107. P. 262601. http://doi.org/10.1063/1.4939148
  13. Dmitiriev P.N., Ermakov A.B., Kovalenko A.G. et al. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1999. V. 9. P. 3970. http://doi.org/10.1109/77.783897
  14. Filippenko L.V., Shitov S.V., Dmitriev P.N. et al. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2001. V. 11. P. 816. http://doi.org/10.1109/77.919469
  15. Averkin A.S., Karpov A., Shulga K., Glushkov E., Abramov N., Huebner U., Il'ichev E., Ustinov A.V. // Rev. Sci. Instrum. 2014. V. 85. P. 104702. https://doi.org/10.1063/1.4896830
  16. Kerr A.R., Feldman Pan M.J. S.-K. NRAO electronics division internal report № 304 (also distributed as MMA Memo № 161), 1996. https://www.gb.nrao.edu/electronics/edir/edir304.pdf

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Design of a sample amplifier on a Josephson contact: a – the basic circuit diagram of the amplifier consists of a quarter-wave resonator and three SQUIDs, the signal and pump are supplied through two independent channels; b – a photograph of a sample with two amplifier circuits in an experimental setup. The chip size is 4 × 4 mm2. The signal input is on the left, the pump input is on the right.

Download (193KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Experimental setup for measuring the characteristics of a Josephson contact amplifier.

Download (212KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Measured frequency response of the parametric amplifier circuit depending on the applied external magnetic field (direct current in the solenoid). The resonant frequency of the amplifier appears as a feature in the plane of reflection coefficients.

Download (158KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. a – Calculated frequency response of the input circuit of the parametric amplifier depending on the applied external magnetic field for a circuit with resonance in the housing cavity, as in the experiment in Fig. 2. The frequency response region used to ensure the non-degenerate mode of the amplifier is highlighted by a dashed line (the corresponding experiment is shown in Fig. 6). b – Calculated frequency response of the amplifier circuit for different values ​​of the magnetic flux in the SQUIDs for the region highlighted by a dashed line in Fig. 4a.

Download (190KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the optimal pumping parameters and current in the electromagnet on the target frequency (frequency of the amplified signal).

Download (75KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Measured frequency dependences of the DPU gain for each target optimization frequency (with optimal mode parameters from Fig. 5). A gain of more than 15 dB is observed at the frequency selected for optimization (lower red stripe), as well as at the mirror frequency (upper red stripe). The pump frequency lies between the lower and upper gain bands (middle line). The difference between the pump frequency and the gain bands reaches 200 MHz.

Download (160KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Result of measuring the gain of a circuit consisting of a DPU and an amplifier on a transistor with high electron mobility. The gain is defined as an excess over the calibration curve, it reaches 15-17 dB. The target signal frequency for optimization is f0.

Download (74KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Result of measuring the equivalent noise temperature of a circuit consisting of a DPU and an amplifier on a transistor with high electron mobility. The target signal frequency for optimization is f0 .

Download (52KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Signal power level with 1 dB compression depending on the frequency of the center of the gain band of the tunable parametric amplifier.

Download (34KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences