Development and application of traveling wave Josephson parametric amplifiers based on three-wave mixing

基于三波混频的行波约瑟夫森参量放大器的研制与应用

• 批准号: 18J00874
• 负责人: 浦出 芳郎
• 金额: $ 2.33万
• 依托单位: Institute of Physical and Chemical Research
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J00874/
• 关键词: パラメトリック増幅器; ジョセフソン接合; 標準量子限界; 超伝導量子エレクトロニクス; 量子コンピュータ; マイクロ波

(1) 増幅器の省電力化および量子ビット読み出しへの応用当初目標とした進行波型増幅器は数千個のジョセフソン接合等を必要として試料作製の難易度が高いため、同じく広帯域な増幅器として、インピーダンス整合型とよばれる少数の接合で実装できる増幅器の開発を進めてきた。本年度は増幅器の省電力化を行った。以前のデバイスは超伝導量子ビットの読み出しに十分な増幅特性を示したが、必要なポンプ電力が大きい(低温下で約-40 dBm)という課題があった。過大なポンプ電力は冷凍機の温度を上昇させ、量子ビットの特性に悪影響を与えうる。この問題を解決するために次の改善を行った：(i)増幅器を構成するSQUIDループにメアンダ構造のインダクタンスを加えることで、ポンプ伝送線路との相互インダクタンスを増大した。(ii)ポンプ波の伝送線路をポンプ周波数の共振器とすることでポンプ効率を高めた。これらの改善により、以前と同等の性能を保ちつつ、必要なポンプ電力を1/100以下に低減した。また、受け入れ先で進行中の超伝導量子ビット集積化プロジェクトにこうした増幅器を提供し、量子ビット読み出しの効率を大きく改善した。これにより、複数量子ビットを周波数多重化した上での高速な単一試行読み出しが可能となった。(2) 増幅器の雑音評価増幅器の雑音特性を評価し、量子限界に迫る低雑音特性を示しているかの検証を行った。そのためには、評価したい増幅器以外の測定系が付加する雑音を知る必要がある。金ナノワイヤのショット雑音を測定し、その物理モデルと比較することで系の付加する雑音と総利得を評価した。この情報と、増幅器による信号対雑音比の改善の結果から、この増幅器が付加する雑音を絶対的に定めることができる。開発した増幅器の付加雑音は光子数換算で0.8光子ほどであり、標準量子限界(0.5光子)に迫る低雑音で増幅していることが分かった。

(1) Rights picture is の province power お よ び quantum ビ ッ ト 読 み out し へ の 応 with original target と し た for wave type raised image editor は thousands の ジ ョ セ フ ソ ン joint を necessary と し て sample for making の difficulty level high が い た め, with じ く hiroo 帯 domain な raised image editor と し て, イ ン ピ ー ダ ン ス integrated と よ ば れ る minority の joint で be loaded で き る raised image editor の open 発 を into Youdaoplaceholder0 た た. This year, the <s:1> amplitude increaser is in line with the provincial electrification を line った. Before の デ バ イ ス は super 伝 guide quantum ビ ッ ト の 読 み out し に very な raised picture feature を shown し た が, necessary な ポ ン プ き power が い で (low temperature about 40 - dBm) と い う subject が あ っ た. Excessive なポ <s:1> プ プ power <s:1> chiller <e:1> temperature を rise させ, quantum ビット <s:1> characteristics に悪 affect を and えうる. こ の を solve す る た め に time line の improve を っ た : (I) rights of を constitute す SQUID る ル ー プ に メ ア ン ダ tectonic の イ ン ダ ク タ ン ス を plus え る こ と で, ポ ン プ 伝 send line と の mutual イ ン ダ ク タ ン ス を raised large し た. (ii) ポ ン プ wave の 伝 send line を ポ ン プ cycle for の resonator と す る こ と で ポ ン プ sharper rate high を め た. こ れ ら の improve に よ と り, before the same の performance を bartender ち つ つ, necessary な ポ ン プ に under low power を 1/100 minus し た. ま た, first by け into れ で の super 伝 pilot in quantum ビ ッ ト set product change プ ロ ジ ェ ク ト に こ う し た rights of を provide し, quantum ビ ッ ト 読 み out し の を large working rate き く improve し た. <s:1> れによ れによ, multiple frequency multiplications of complex quantum ビットを, <s:1> た, で, <s:1>, high-speed な単, a trial of 読み, 読み, が, is possible となった. (2) rights of の 雑 sound evaluation 価 raised image editor の 雑 sound features を review 価 し, quantum limit に forced る low 雑 sound features を shown し て い る か の 検 line card を っ た. そ の た め に は, review 価 し た い raised outside the picture editor の measurement system が plus す る 雑 sound を know る necessary が あ る. Gold ナ ノ ワ イ ヤ の シ ョ ッ ト 雑 sound を し, そ の physical モ デ ル と compare す る こ と で is の plus す る 雑 sound と 総 gains を review 価 し た. こ の intelligence と, rights of に よ る 雑 seaborne sound signal than の improve の results か ら, こ の raised image editor が plus す る 雑 sound を unique に of seaborne め る こ と が で き る. Open 発 し た raised image editor の plus 雑 sound は photon number conversion で 0.8 photon ほ ど で あ り, standard quantum limit (photons) 0.5 に forced る low 雑 sound で rights of し て い る こ と が points か っ た.

项目成果

Impedance-matched Josephson parametric amplifier using open stubs as shunt capacitance

使用开路短截线作为并联电容的阻抗匹配约瑟夫森参量放大器

• 发表时间: 2020
• 作者: Y. Urade;K. Zuo;K. Inomata;Z.R. Lin;T. Yamamoto;and Y. Nakamura
• 通讯作者: and Y. Nakamura

Inductively shunted transmon qubit for ZZ interaction cancellation

用于取消 ZZ 相互作用的感应分流 transmon 量子位

• 发表时间: 2021
• 作者: Kun Zuo;Yoshiro Urade;Zhiguang Yan;Shuhei Tamate;Yutaka Tabuchi;Hirotaka Terai;and Yasunobu Nakamura
• 通讯作者: and Yasunobu Nakamura

Broadband Josephson parametric amplifier for multiplexed readout of superconducting qubits

用于超导量子位多路复用读出的宽带约瑟夫森参量放大器

• 发表时间: 2019
• 作者: Yoshiro Urade;Kun Zuo;Kunihiro Inomata;Zhirong Lin;Tsuyoshi Yamamoto;and Yasunobu Nakamura
• 通讯作者: and Yasunobu Nakamura

Checkerboard symmetry in metallic metasurfaces

金属超表面中的棋盘对称性

• 发表时间: 2018
• 作者: Yoshiro Urade;Yosuke Nakata;Toshihiro Nakanishi;and Masao Kitano
• 通讯作者: and Masao Kitano

Development of broadband flux-driven Josephson parametric amplifiers based on external impedance engineering

基于外部阻抗工程的宽带磁通驱动约瑟夫森参量放大器的开发

• 发表时间: 2019
• 作者: Y. Urade;K. Zuo;K. Inomata;T. Yamamoto;and Y. Nakamura
• 通讯作者: and Y. Nakamura