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）应用节省功率和Qubit读数的旅行波放大器的初始目标需要成千上万个约瑟夫森连接，并且很难准备样品，因此我们一直在开发可以使用少量的称为不匹配类型的连接器来实​​现的放大器，以及宽带放大器。今年，我们降低了放大器的功耗。先前的设备表现出足够的扩增特性，用于阅读超导Qubits，但它们面临着需要大型泵功率的挑战（在低温下约为-40 dbm）。过大的泵功率可以提高冰箱的温度，并对量子的特性产生不利影响。为了解决此问题，进行了以下改进：（i）将曲折结构的电感添加到构成放大器的鱿鱼环中，会增加与泵传输线相互电感。 （ii）使用泵波传输线作为泵频率谐振器，提高了泵的效率。这些改进将所需的泵功率降低到1/100以下，同时保持与以前相同的性能。此外，这些放大器还提供给了主机站点正在进行的超导量子集成项目，从而显着提高了Qubit读数的效率。这使得在多个Qubits的频率多路复用后，可以执行高速单试读数。 （2）对放大器的噪声评估评估放大器的噪声特性，并验证噪声特性是否接近量子极限。为此，除了要评估的放大器之外，还必须了解测量系统添加的噪声。测量了金纳米线的射击噪声，并将其与物理模型进行比较，以评估系统的增加噪声和总增益。该信息以及放大器提高信噪比的结果可以绝对确定该放大器添加的噪声。就光子计数而言，开发的放大器的附加噪声约为0.8个光子，并且发现它通过低噪声接近标准量子极限（0.5光子）进行扩增。

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

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

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