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Untersuchung eines Phasenanpassungskonzepts für quantenlimitierte Wanderwellenverstärker

14.10.2022

 

Supraleitende Wanderwellenverstärker (engl. Traveling-Wave Parametric Amplifier, TWPA) sind neuartige Verstärker für den unteren GHz-Frequenzbereich, die sich vor allem durch ihr extrem niedriges Rauschen auszeichnen. Eine Herausforderung bei der Realisierung solcher Verstärker ist die Synchronisierung der Phasengeschwindigkeit von Signal- und Pump-Welle. Die PTB hat hierfür ein vielversprechendes Konzept basierend auf der periodischen Modulation von Kapazitäten numerisch untersucht.

 

Sogenannte Traveling-Wave Parametric Amplifier (TWPA) sind supraleitende Verstärker für elektrische Signale im Mikrowellenfrequenzbereich, deren Rauschen so niedrig ist, dass es theoretisch nur noch durch die Gesetze der Quantenmechanik limitiert ist. Durch diese Eigenschaft können sie das Signal-Rausch-Verhältnis von Messungen bei sehr niedrigen Leistungen und in kryogener Umgebung (d.h. bei Temperaturen von einigen zehn Millikelvin) deutlich erhöhen. Sie gelten als eine der Schlüsseltechnologien für die Realisierung von Quantencomputern basierend auf supraleitenden Qubits.

 

Die Verstärkung von Signalen durch TWPAs erfolgt durch Frequenzmischungseffekte, bei denen Energie aus einer Pumpwelle zu der zu verstärkenden Signalwelle transferiert wird. Die Frequenzen dieser beiden Wellen liegen mitunter mehrere GHz auseinander, so dass sich durch die Dispersion des Schaltkreises unterschiedliche Phasen­geschwindigkeiten ergeben. Damit die Signalverstärkung effektiv funktioniert, müssen beide Wellen mit gleicher Phasengeschwindigkeit durch den Verstärker propagieren. Erreicht werden kann dies z.B. durch periodische Modulation einer Kapazität, die in die Wellenleitung der TWPAs integriert ist. Allerdings zeigt sich, dass zusätzlich zum gewünschten Frequenzmischungsprozess noch weitere unerwünschte Effekte auftreten, welche sich negativ auf die Verstärkereigenschaften auswirken, indem sie z.B. die Verstärkung verringern und zu erhöhtem Rauschen führen.

 

Die PTB hat nun ein Phasenanpassungskonzept untersucht, bei dem statt einer periodischen Modulation zwischen nur zwei Kapazitätswerten ein dritter Wert genutzt wird. Dadurch ergibt sich eine zweite Modulierung der Phasengeschwindigkeit als Funktion der Frequenz, welche unerwünschte Frequenzkomponenten unterdrückt (siehe Bild 1), während die Verstärkung weiterhin exponentiell mit der physischen Länge des TWPA zunimmt. Das untersuchte Konzept erlaubt die Realisierung von Wanderwellenverstärkern mit Bandbreiten von bis zu 8 GHz und Leistungs­verstärkung von 20 dB (siehe Bild 2). Solche Verstärker sind damit hervorragend für den Einsatz in supraleitenden Quantencomputern geeignet.

 

 

Bild 1: Phasengeschwindigkeitsanpassung durch periodische Modulation der Schaltkreiskapazität. (a) Profil der Kapazitätswerte mit Periodizität m. (b) Wellenvektor k = ω/vp als Funktion der Frequenz, normiert auf den dispersionsfreien Wellenvektor k0 = ω/vp0. Markiert sind Idler (fi), Signal (fS) und Pumpfrequenz (fp), deren Wellenvektor nahezu gleich ist, wodurch Verstärkung möglich wird. Unerwünschte Frequenzkomponenten (Summenfrequenzen, doppelte Pumpfrequenz) haben deutlich unterschiedliche Wellenvektoren, sodass deren Erzeugung unterdrückt ist.

 

 

Bild 2: Exemplarisches Verstärkungsprofil eines TWPA mit einem Phasen­anpassungskonzept basierend auf periodischer Modulation zwischen drei Kapazitäts­werten für zwei unterschiedliche Pumpfrequenzen.

 

 

Veröffentlichung:

V. Gaydamachenko, C. Kißling, et al.: „Numerical analysis of a three-wave-mixing Josephson traveling-wave parametric amplifier with engineered dispersion loadings“, Journal of Applied Physics (in press, preprint: arXiv:2209.11052) (2022)

 

 

Ansprechperson:

Victor Gaydamachenko und Christoph Kißling

Fachbereich 2.4 „Quantenelektronik

victor.gaydamachenko@ptb.de

christoph.kissling@ptb.de