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Mikrowellenverstärker für die Quantenelektronik

Supraleitende Tunnelkontaktschaltung erlaubt breitbandige parametrische Verstärkung sehr schwacher Mikrowellensignale

PTB-News 3.2017
05.09.2017
Besonders interessant für

Grundlagenforschung

elektrische Quantentechnologien

Quanten-Informationsverarbeitung

Die Quanteninformationstechnologie benötigt rauscharme und sehr breitbandige Verstärker für schwache Mikrowellensignale. Ein in der PTB entwickelter neuartiger parametrischer Verstärker mit Josephson-Kontakten zeichnet sich durch hohe Verstärkung, große Bandbreite und geringes Rauschen aus.

Chip mit supraleitender SQUID-Serienschaltung des Wanderwellenverstärkers im Probenhalter mit Mikrowellenanschlüssen. Die Serienschaltung enthält 2296 SQUIDS in einer 11,5 cm langen mäanderförmigen Hochfrequenzleitung.

Ein parametrischer Verstärker ist ein rauscharmer Hochfrequenzverstärker, der mithilfe nichtlinearer reaktiver Bauelemente Energie aus einer Pump- in eine Signalwelle überführt. Moderne parametrische Verstärker mit Josephson- Kontakten (Josephson Parametric Amplifiers, JPAs) zeigen ein nahezu quantenlimitiertes Rauschverhalten, erreichen aber aufgrund ihrer Resonanzkreisarchitektur keine ausreichend großen Bandbreiten. Diese werden aber dringend benötigt, beispielsweise für ultrasensitive Mikrowellensensoren (zur Detektion von Mikrowellensignalen auf dem Niveau einzelner Photonen) oder für die Entwicklung von Quantencomputern. JPAs auf der Basis sogenannter Wanderwellen können dagegen hohe Bandbreiten erzielen. Bisher wurden sie durch in Hochfrequenzleitungen eingebettete Josephson-Kontakte realisiert, wobei der Zusammenhang zwischen Josephson- Stromstärke und -Phase (die sogenannte Josephson-Nichtlinearität) durch eine kubische Beziehung gegeben ist.

Jetzt wurde in der PTB ein neues Konzept für einen einfach aufgebauten Wanderwellen- JPA auf der Grundlage einer vorteilhaften quadratischen Josephson- Nichtlinearität vorgeschlagen. Dieser Ansatz beruht auf in Serie geschalteten Einzelkontakt-SQUIDs und erlaubt es, die Josephson-Nichtlinearität mithilfe eines externen Magnetfeldes zu kontrollieren. Anders als bei JPAs mit kubischer Nichtlinearität kann man hier durch geeignete Wahl des Arbeitspunktes die Phasen der wandernden Pump- und der zu verstärkenden Signalwelle effizient anpassen. Dies führt zu einer größeren Verstärkung in einem weiten Frequenzbereich. Außerdem kann das Nutzsignal einfacher separiert werden, weil es im Frequenzbereich deutlich besser vom Pumpsignal getrennt ist.

Eine erste Testschaltung wurde in Niob-Technologie mit Nb/AlOx/Nb- Josephson-Kontakten hergestellt und in Flüssighelium bei der Temperatur von 4,2 K charakterisiert. Die Messungen zeigen eine Leistungsverstärkung von mehr als 10 dB in einem Frequenzbereich von etwa 3 GHz. Weiterführende Untersuchungen der JPA-Schaltung sollen zeigen, ob das angestrebte minimale Verstärkerrauschen am quantenmechanischem Limit erreicht wird. Für eine mögliche spätere Anwendung in der Quantenelektronik müssen Verstärkung und Bandbreite jedoch noch weiter erhöht werden.

Ansprechpartner

Ralf Dolata
Fachbereich 2.4 Quantenelektronik
Telefon: (0531) 592-2247
Opens window for sending emailralf.dolata(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

A. B. Zorin: Josephson traveling-wave parametric amplifier with three-wave mixing, Phys.