27.11.2017
In der Quanten-Informationstechnologie besteht ein Bedarf an breitbandigen Verstärkern mit extrem niedrigem Eigenrauschen. An der PTB wurde ein parametrischer Wanderwellen-Verstärker auf der Basis einer Serienschaltung von Einzelkontakt-SQUIDs entwickelt, der sich durch eine hohe Verstärkung, große Bandbreite und ein potentiell geringes Rauschen am Quantenlimit auszeichnet.
Der Fortschritt vieler aktueller Entwicklungen in Quantentechnologien, z. B. in der Quantenmetrologie und bei Quantencomputern, hängt entscheidend von der Verfügbarkeit kryogener Verstärker mit ausreichender Verstärkung und Bandbreite sowie einem sehr niedrigen Rauschen ab, das nur durch quantenmechanische Prinzipien bestimmt wird. Selbst die besten kryogenen Halbleiterverstärker zeigen bei GHz-Frequenzen ein elektrisches Rauschen, das für quantensensitive Experimente und Schlüsselanwendungen von Quantenschaltungen um einen Faktor zehn zu hoch ist. Parametrische Verstärker, die mithilfe nichtlinearer reaktiver Bauelemente Energie aus einer Pump- in eine Signalwelle überführen, könnten auf der Basis von Josephson-Kontakten ein nahezu quantenlimitiertes Rauschverhalten erreichen.
In der PTB wurde ein neuartiger parametrischer Verstärker konzipiert, der aus einer Mikrowellenleitung mit einer eingebetteten Serienschaltung von Einzelkontakt-SQUIDs (rf-SQUIDs) besteht und das Prinzip der Wanderwellen verwendet [1]. Dieses Schaltungsdesign erzeugt, im Gegensatz zu der in bisherigen Schaltungskonzepten verwendeten kubischen Nichtlinearität (Kerr-Effekt), eine quadratische Josephson-Nichtlinearität und ermöglicht damit die Nutzung der vorteilhaften Dreiwellenmischung.
Darüber hinaus können aufgrund des unterdrückten Kerr-Effekts die Phasen der wandernden Pump- und der zu verstärkenden Signalwelle effizient angepasst werden. Dies führt zu einer großen Verstärkung in einem weiten Frequenzbereich.
Testschaltungen wurden in Niob-Technologie mit 1100 Nb/AlOx/Nb-Josephson-Kontakten hergestellt und in Flüssighelium bei der Temperatur von 4,2 K charakterisiert (Bild 1). Die Schaltungsparameter wurden so gewählt, dass die Mikrowellenleitung mit der rf-SQUID Serienschaltung eine Impedanz von etwa 50 Ω besitzt und ohne aufwendige Schaltungen zur Impedanzanpassung vermessen werden kann. Die Messungen zeigen eine Leistungsverstärkung von bis zu 24 dB (Bild 2) in einem Frequenzbereich von etwa 4 GHz bis 5 GHz. Die Verstärkung konnte durch ein externes Magnetfeld und durch die Pumpleistung gesteuert werden. Weiterführende Untersuchungen der Verstärkerschaltung bei niedrigerer Temperatur (T < 100 mK) sollen zeigen, ob das angestrebte minimale Verstärkerrauschen am quantenmechanischen Limit erreicht wird.
Bild 1: Ein Testchip mit supraleitender SQUID-Serienschaltung des Wanderwellenverstärkers im Tieftemperatur-Probenhalter mit Mikrowellenanschlüssen.
Bild 2: Verstärktes Signal (rote Punkte) und Idler-Signal (grüne Punkte) als Funktion der Pumpleistung. Die blauen Punkte zeigen das Ausgangssignal nach dem Abschalten der Pumpleistung.
[1] A. B. Zorin, Phys. Rev. Applied 6 (2016) 034006.