研究内容
约瑟夫森参量放大系统可以提供接近量子极限噪声性能的信号放大，是进行单个微波光子能量级别信号读取的理想器件，也是探索非经典微波光子性能的理想物理平台。工作带宽可灵活调节的宽带反射性约瑟夫森参量放大器是目前超导量子信息处理的关键需求之一。本文针对性的提出了一种单层集总传输线结构的渐变阻抗匹配网络约瑟夫森参量放大器，与传统四分之一波长变换阻抗参量放大器和CPW/Strip混合结构阻抗渐变参量放大器相比，兼具结构简单和宽带工作频率可调的优势，因此，在超导量子比特的测量与控制、微波量子光学和超导量子信息处理领域有重要的应用价值。
为了扩展该放大器的带宽-增益性能，同时保持工作频率可调，研究人员精心设计了一种由单层叉指状超导金属模条构成的基本LC集总单元。该单元通过改变模条叉指几何结构，实现电容值可调，从而实现等效阻抗的精确设计。通过对上述集总单元结构周期性的串联排列，最终组合成为长度18 mm具有最小反射性能的阻抗渐变结构传输线，实现了传输线端50欧姆到非线性约瑟夫森谐振器端约20欧姆的强耦合阻抗变换。
组成该放大器的非线性约瑟夫森谐振器由电容和超导并联双结构成。为进一步降低微纳工艺复杂度并提高样品制备质量，非线性谐振器单元的电容部分采用了上极板浮地的电容结构，该结构可进一步减少因光刻图形精确对准、介电层刻蚀等工艺难度，以及介电层缺陷导致的放大器性能恶化。图1给出了该放大器的设计结构和样品图。
图1. (a) 参量放大器光学结构，（b）叉指型阻抗渐变传输线结构，（c）非线性谐振单元电容结构，（d）传输线电路模型，（e）叉指型传输线单元设计，（f）叉指型传输线指长与阻抗关系曲线，（g）不同阻抗单元对应的传输线设计长度，以及传输线上不同位置的阻抗值。
为了演示该放大器具备灵活的宽带带宽-增益特性优势，研究人员对设计的参量放大器进行了静态磁通调制和增益带宽性能表征。在约30 mK的测试环境下，通过改变流经直流偏置线上电流，从而改变非线性谐振器中并联双结环内的静态磁通，可以实现非线性谐振器的谐振频率调制。实验中，研究人员观察到非线性谐振器谐振频率随直流偏置在4 GHz到7.5 GHz之间跟随变化（图2）。此外，研究人员还分别开展了磁通泵浦下的三波混频参量放大表征实验和电流泵浦模式的四波混频参量放大表征实验。如图3所示，通过设置合适工作点和泵浦功率，该放大器在6.65 GHz工作频率附近可提供超过250 MHz的稳定增益，带内平坦，噪声性能接近量子极限。通过调整静态工作点，如图4（a）-（d）所示，研究人员在5.6 GH到6.7 GHz频率范围内实现了300 MHz到500 MHz带宽的参量放大，增益接近或超过20 dB，实现覆盖频率范围超过1 GHz的、接近量子极限噪声的参量放大。同样的，电流泵浦激励模式下的参量放大也实现了覆盖频率超过1 GHz范围的可调宽带放大，如图4（e）-（h）所示。这表明本文中设计和制备的由集总叉指结构组成的阻抗渐变约瑟夫森参量放大器可在磁通/电流泵浦激励下实现接近量子极限噪声的参量放大，非常适用于超导量子多比特的高保真非破坏性测量以及微波量子光学的探索。
图2.非线性谐振器频率的静态磁通调制
图3.磁通泵浦激励下的增益-带宽、动态范围和噪声性能
图4.（a)-(d）磁通泵浦激励下不同工作点的增益-带宽、噪声性能，（e)-(h）电流泵浦激励下不同工作点的增益-带宽、噪声性能。
团队介绍
南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所孙国柱教授的研究团队，在吴培亨院士的带领下，主要开展以超导约瑟夫森结为核心的超导量子计算芯片研制、开发及微波量子光学等科学实验研究。
主要研究方向包括：1）超导量子比特，超导量子比特与其他量子体系的耦合系统；2）高维度超导量子系统；3）微波单光子的产生、探测和应用；4）核心量子器件。经过多年努力，团队在国家和省部级项目、国际和国内发明专利以及原创性论文方面，都取得了很好的成绩。
原文信息
标题：
Broadband Josephson parametric amplifier using lumped-element transmission line impedance matching architecture
期刊：Appl. Phys. Lett. 120, 082601 (2022)
作者：Yapeng Lu, Wenqu Xu, Quan Zuo, Jiazheng Pan, Xingyu Wei, Junliang Jiang, Zishuo Li, Kaixuan Zhang, Tingting Guo, Shuo Wang, Chunhai Cao, Huabing Wang, Weiwei Xu, Guozhu Sun, and Peiheng Wu