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Parametrischer Wanderwellen-Verstärker mit Dreiwellenmischung auf der Basis einer Serienschaltung von Einzelkontakt-SQUIDs

28.11.2016

Parametrische Verstärker mit Josephson-Kontakten (JPAs) sind etablierte Werkzeuge für die Quanten-Informationstechnologie, wo besonders ein Bedarf an sehr breitbandigen Systemen besteht. Wir schlagen einen einfachen Wanderwellen-JPA vor, der sich durch hohe Verstärkung, große Bandbreite und geringes Rauschen am Quantenlimit auszeichnet und stellen erste experimentelle Ergebnisse dazu vor.

 

 

 

Moderne JPAs zeigen zwar ein nahezu quantenlimitiertes Rauschverhalten, erreichen aber aufgrund ihrer Resonanzkreis-Architektur keine ausreichend großen Bandbreiten, wie sie zum Beispiel für die Detektion von Mikrowellen-Signalen auf dem Niveau einzelner Photonen oder für Frequenz-Multiplexverfahren in Quantenschaltungen benötigt werden. Parametrische Verstärker auf der Basis von Wanderwellen können dagegen hohe Bandbreiten erzielen, für einen optimalen Betrieb ist allerdings eine sorgfältige Phasenanpassung erforderlich.

In allen bisherigen Realisierungen von Wanderwellen-Verstärkern [1,2] mit in Hochfrequenzleitungen eingebetteten Josephson-Kontakten ermöglicht die zentralsymmetrische Kerr-Nichtlinearität des Josephson-Stromes I(φ) = ±Ic sin(±φ) (Ic: kritischer Strom, φ: Josephson-Phase) lediglich die Nutzung der Vierwellenmischung. In diesem Arbeitsbereich gilt für die Signal- (fs), Idler- (fi)- und Pumpfrequenz (fp) folgender Zusammenhang: fs + fi = 2fp, mit fsfi  ≈ fp. Die größte Herausforderung bei diesem Schaltungsdesign ist die unzureichende Phasenanpassung der Wanderwellen, die das Erreichen einer exponentiellen Verstärkung in einer hinreichend großen Bandbreite verhindert. Darüber hinaus ist aufgrund der dicht beieinanderliegenden Frequenzen das schwache Nutzsignal nur schwer von dem starken Pumpsignal zu separieren.


Vor kurzem haben wir einen einfachen Wanderwellen-JPA [3] vorgeschlagen, der auf einer nicht zentralsymmetrischen Josephson-Nichtlinearität I(φ) ≠ −I(−φ) basiert, die durch eine Serienschaltung von Einzelkontakt-SQUIDs (Bild 1) erzeugt wird. Diese Schaltung erlaubt die Nutzung der Dreiwellenmischung, wobei für die Frequenzen gilt: fs + fi = fp, mit der günstigen Beziehung fsf ≈ ½ fp.

Neben dem nun größeren Abstand von Signal- und Pumpfrequenz ist der wesentliche Vorteil dieses Ansatzes die Kontrolle der Nichtlinearität durch einen externen magnetischen Fluss. Dadurch wird sowohl eine effiziente Phasenanpassung als auch eine maximale exponentielle Verstärkung in einem großen Frequenzbereich ermöglicht. Durch diese Idee motiviert haben wir eine Schaltung entworfen und in Niob-Technologie mit Nb/AlOx/Nb Josephson-Kontakten hergestellt, die einen Betrieb in Flüssig-Helium bei der Temperatur von T = 4,2 K gestattet. Die Messungen an dieser (noch nicht optimierten) Testschaltung zeigen eine Leistungsverstärkung von mehr als 10 dB (Bild 2) in einem Frequenzbereich von etwa 2 GHz. Die Verstärkung konnte durch ein externes Magnetfeld und durch die Pumpleistung gesteuert werden. Die weitere Charakterisierung der JPA-Schaltung einschließlich Rauschmessungen ist in Arbeit.

Schaltungsdiagramm Parametrische Verstärker mit Josephson-Kontakten (JPA)

Bild 1: Schaltungsdiagramm des JPA bestehend aus seiner Mikrowellenleitung mit eingebetteten SQUIDs (unten) und einer Skizze zur Veranschaulichung der Dreiwellenmischung (oben). Pump, Signal- und Idlerwellen laufen von links nach rechts und tauschen Leistung aus.

 

Ausgangssignal als Funktion der Pumpleistung

Bild 2: Ausgangssignal als Funktion der Pumpleistung (rote Punkte). Die blauen Dreiecke zeigen das Ausgangssignal nach dem Abschalten der Pumpleistung.

 

 

[1] T. C. White et al., Appl. Phys. Lett. 106 (2015) 242601.
[2] C. Macklin et al., Science 350 (2015) 307.
[3] A. B. Zorin, Phys. Rev. Applied 6 (2016) 034006.