Multiplexed Readout of Transmon Qubits with Josephson Bifurcation Amplifiers
实现单个量子比特的读出是可扩展超导量子处理器发展中的一个主要挑战。我们已经实现了多路复用读出的四transmon量子位电路使用非线性谐振器操作约瑟夫森分叉放大器。我们证明了拉比振荡的四个transmons的同时测量。我们发现，多路复用约瑟夫森分叉是一种高保真度的读出方法，其可扩展性是不受限制的需要一个大的带宽近量子限制放大器的情况下，与线性读出谐振器。
2014-10-24 cond-mat.supr-con quant-ph
A Wideband, Low-Noise Superconducting Amplifier with High Dynamic Range
放大器在电子产品中无处不在，在广泛的科学测量中发挥着重要作用。从用户的角度来看，理想的放大器具有非常低的噪声，工作频率范围宽，动态范围高，能够处理强信号，失真小。不幸的是，很难同时获得所有这些特性。例如，现代晶体管放大器提供多倍频程带宽和出色的动态范围。然而，它们的噪声仍然远远高于量子力学的不确定原理所设定的基本极限。参量放大器先于晶体管放大器并广泛应用于光学领域，它利用非线性响应将功率从强泵浦音调转移到弱信号。如果非线性是纯粹的反应，即。非耗散，理论上放大器噪声可以达到量子力学极限。实际上，微波频率超导约瑟夫森参量放大器确实接近量子极限，但通常是窄带的并且具有非常有限的动态范围。在本文中，我们描述了超导参量放大器，克服了这些限制。放大器非常简单，仅由在电介质衬底上的图案化金属膜组成，并且依赖于超导传输线的非线性动力学电感。我们测量了在11.56 GHz泵浦音调两侧超过2 GHz的增益，并将放大器在9.4 GHz处的3.4个光子的附加噪声上限。此外，动态范围非常大，可与微波晶体管放大器相比，并且该概念可应用于整个微波、毫米波和亚毫米波频带。
2012-01-11 cond-mat.supr-con quant-ph
SLUG Microwave Amplifier: Theory
提出了一种基于超导低电感波动电流计（SLUG）的微波低噪声相位不敏感线性放大新方案。直接集成的结运动方程提供了访问的SLUG的完整的散射矩阵。我们讨论了SLUG放大器的优化，并计算了放大器的增益和噪声温度在热和量子制度。加载的SLUG元件的有限输入导纳被考虑在内，并从输入电路的高阶模式的SLUG的解耦策略进行了讨论。微波SLUG放大器有望在5-10 GHz的频率范围内实现接近标准量子极限的噪声性能，单级器件的增益约为15 dB，瞬时带宽为1 GHz。
2011-06-30 cond-mat.supr-con quant-ph
Microwave Quantum Radar using a Josephson Traveling Wave Parametric Amplifier
低反射率物体的检测可以通过所谓的量子照明程序来改进。然而，量子检测概率随源带宽呈指数衰减。约瑟夫森参量放大器（JPA）技术用作源，产生一对纠缠信号，称为双模压缩真空态，显示出非常窄的带宽限制了微波量子雷达（MQR）的操作。本文首次提出了一种基于量子照明协议和约瑟夫森行波参量放大器（JTWPA）的微波量子雷达系统。在12 GHz泵浦的JTWPA的测量结果显示，在X波段的超宽带宽等于10 GHz，使我们的MQR隐形物体的检测有希望的候选人。
2021-11-05 cond-mat.supr-con quant-ph
Josephson Amplifier for Qubit Readout
我们报告的测量约瑟夫森放大器（J-amp）适用于量子态量子比特读出在微波域。它由两个微带谐振器相交的约瑟夫森环调制器。理论分析表明，对于6.4GHz和8.1GHz的闲频和信号，最大增益约为20 dB，带宽为9 MHz，中心频率可调谐度约为60 MHz，增益超过10 dB。最大输入功率测量的J-放大器显示出相对较好的协议与理论预测。我们讨论了如何提高放大器的特性。
2011-10-25 cond-mat.supr-con physics.ins-det quant-ph
Microstrip superconducting quantum interference device amplifiers with submicron Josephson junctions: enhanced gain at gigahertz frequencies
本文介绍了基于亚微米Al-AlOx-Al约瑟夫森结的直流超导量子干涉器件（SQUID）的放大器的测量。小的结尺寸降低了它们的自电容，并允许使用相对较大的电阻分流器，同时保持非滞后操作。这导致SQUID传递函数的增强相比，SQUID与微米级结。器件布局从常规SQUID的布局修改，以允许将信号耦合到放大器中，对于相对短的微带线圈具有显著的互感。在310 mK下的测量在1.55 GHz下表现出32 dB的增益。
2010-08-05 cond-mat.supr-con
Josephson Parametric Amplifier in Axion Experiments
本文在轴子晕镜搜索实验中采用磁通驱动约瑟夫森参量放大器，在0.938-0.963 GHz频段实现低于110 mK的附加噪声，接近半量子噪声极限。
2023-04-20 cond-mat.supr-con hep-ph
Josephson traveling-wave parametric amplifier with three-wave mixing
利用超导传输线中单结SQUID串联阵列的二次非线性特性，提出了行波约瑟夫森参量放大器的概念。施加到SQUID的外部磁通量使得可以有效地控制它们的电流-相位关系的形状，并且因此控制二次和三次（类克尔）非线性之间的平衡。该特性允许我们在有利的三波混频模式下操作，具有最小相位失配、功率增益对段数$N$的指数依赖性、大带宽、高动态范围、以及基本上分离的信号（$f_s$）和泵浦（$f_p$）频率服从关系式$f_s+f_i = f_p$，其中$f_i$是空闲频率。用典型的实验参数，$12$ GHz的泵浦频率和$N = 300$的放大器特性的估计在5.6 GHz的带宽中产生20 dB的平坦增益。
2016-09-19 cond-mat.supr-con quant-ph
Low-noise kinetic inductance traveling-wave amplifier using three-wave mixing
我们研制了一种基于超导动力学电感行波器件的宽带宽、高动态范围、低噪声低温放大器。该器件由NbTiN制成，由硅芯片上的长共面波导组成。通过添加DC电流和RF泵浦音调，我们能够使用三波混频产生参量放大。该器件在4至8 GHz的瞬时带宽内表现出超过15 dB的增益。总的可用增益带宽，包括信号-空闲增益区的两侧，大于6 GHz。与器件的输入有关的噪声接近量子极限，具有小于1个光子的过量噪声。与类似构造的四波混频放大器相比，这些器件在RF泵浦下以低$\sim$ 20 dB的功率和远离信号的频率工作。这将允许更容易地集成到大规模量子位和检测器应用中。
2015-09-30 cond-mat.supr-con quant-ph
Superconducting NbN Resonator Parametric Amplifiers for Millimetre Wavelengths
Clarendon Laboratory, Parks Road, Oxford OX1 3PU, United Kingdom（克拉伦登实验室）；Cavendish Laboratory, JJ Thomson Avenue, Cambridge CB3 OHE, United Kingdom（卡文迪许实验室）
通过反应溅射制备高Tc和高电阻率的NbN薄膜，用于动力学电感参量放大器，在25 GHz实现超过20 dB增益。
2026-07-01 astro-ph.IM cond-mat.supr-con
Traveling wave parametric amplifier with Josephson junctions using minimal resonator phase matching
约瑟夫森参量放大器由于其高增益和量子限制噪声而成为超导器件物理中的重要工具。行波参量放大器（TWPA）具有类似的噪声性能，同时允许带宽和动态范围的显著增加。我们提出了一种基于LC梯形传输线的约瑟夫森结和平行板电容器使用低损耗非晶硅介质的TWPA设备。最重要的是，我们沿着传输线以规则的间隔插入了$λ/4$谐振器，以保持泵浦、信号和空闲之间的相位匹配条件并增加增益。在4.GHz带宽上，平均增益为12.dB，平均饱和功率为-92.dBm，噪声接近量子极限。
2015-03-15 cond-mat.supr-con
Broadband parametric amplifiers based on nonlinear kinetic inductance artificial transmission lines
我们提出了宽带参量放大器的基础上的动力学电感超导NbTiN薄膜在一个人工（集总元件）传输线架构。我们演示了两种放大器设计实现不同的相位匹配技术：周期性阻抗负载，谐振器移相器放置沿传输线周期性。我们的设计与以前的基于共面波导的放大器相比具有多项优势，包括固有的50欧姆特性阻抗、对较高泵浦谐波的自然抑制、所需泵浦功率更低以及总走线长度更短。两个版本的放大器的实验实现证明。与20厘米的传输线长度，我们已经实现了15 dB的增益超过几GHz的带宽。
2017-04-04 cond-mat.supr-con quant-ph
Non-degenerate parametric amplifiers based on dispersion engineered Josephson junction arrays
本文提出一种基于色散工程约瑟夫森结阵列的非简并参量放大器，利用含10^3个JJ的长阵列在低于10 GHz的多个本征模实现放大，并借助SQUID结实现磁通可调，以90%保真度演示了transmon量子比特量子跃迁的连续检测。
2023-10-27 cond-mat.supr-con quant-ph
Traveling Wave Parametric Amplifier based on a chain of Coupled Asymmetric SQUIDs
提出了一种由耦合的非对称超导量子干涉器件链构成的传输线构成的行波参量放大器。这种传输线的独特性质是其非线性可以用外部磁通量来调谐，甚至可以改变符号。传输线的这一特征可用于在简并四波混频过程中执行相位匹配，该过程可用于在存在强泵浦的情况下对弱信号进行参量放大。TWPA设计的数值模拟已经表明，通过调谐，可以实现相位匹配，并且可以实现作为传输线长度的函数的指数增益。所提出的设计的灵活性可以实现：紧凑的TWPA小于211个单元，信号增益大于20 dB，3 dB带宽大于5.4 GHz，饱和功率高达-98 dBm。这种放大器设计非常适合于量子线路或天文探测器的多路复用读出，其紧凑的配置可以促进片上实现。
2015-09-15 cond-mat.supr-con
Resonantly phase-matched Josephson junction traveling wave parametric amplifier
本文提出了一种克服约瑟夫森结行波参量放大器相位失配的方法，以获得宽带高增益。使用“谐振相位匹配”，我们设计了一个紧凑的超导器件，包括一个传输线与亚波长谐振夹杂物，同时实现了20 dB的增益，3 GHz的瞬时带宽，和-98 dBm的饱和功率。这种放大器非常适合低温宽带微波测量，例如基于超导，半导体或纳米机械元件以及传统天文探测器的量子相干电路的多路复用读出。
2014-06-09 cond-mat.supr-con quant-ph
A widely tunable parametric amplifier based on a SQUID array resonator
我们利用传输线谐振器制作了一个约瑟夫森参量放大器，该谐振器的内导体由串联SQUID阵列制成。通过改变通过SQUID回路的磁通量，我们能够调整电路的谐振频率，并一致地调整放大频带的中心，在4和7.8 GHz之间。我们观察到放大器的增益高达28 dB，并推断它增加了不到两倍的输入真空噪声。
2007-06-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Parametrically enhanced interactions and non-trivial bath dynamics in a photon-pressure Kerr amplifier
两个超导电路之间的光子压力耦合是一个很有前途的平台，研究辐射压力耦合在新的参数制度和射频（RF）量子光子学和量子限制RF传感的发展。到目前为止，光子-压力耦合电路的本征约瑟夫森非线性还没有被认为是增强器件或新实验方案的潜在资源。在这里，我们实现了一个射频电路和微波腔之间的光子压力耦合，其中包含超导量子干涉器件（SQUID），它可以作为约瑟夫森参量放大器（JPA）操作。我们证明了一个基于克尔的增强的光子压力单光子耦合率和一个数量级的放大器制度的协同性的增加。此外，我们的特征上转换和克尔放大的残余热波动的RF电路，并观察到腔内放大降低了测量的不精确性。最后，我们证明，RF模式边带冷却是令人惊讶的不限于有效的放大器模式温度所产生的量子噪声放大，我们解释了非平凡浴动力学由于两个阶段的放大过程。我们的研究结果表明，如何克尔非线性，特别是约瑟夫森参量放大可以被用作增强的光子压力系统和克尔腔光学力学的资源。
2022-03-22 cond-mat.supr-con quant-ph
Josephson parametric reflection amplifier with integrated directionality
设计并分析了一种GHz频段的定向超导参量放大器，适用于天体物理中微波动力学电感探测器的低功耗读出，当其输入端与非互易器件相结合时，也适用于电路量子电动力学（cQED）。它由一个单波长非简并约瑟夫森参量反射放大电路组成。该器件具有两个约瑟夫森结振荡器，通过定制的阻抗连接到片上无源电路，该无源电路将输入端口引导到输出端口。放大器在220 MHz的带宽上对信号以及放大输入的闲频部分提供20 dB的增益，并且涉及输入的总光子散粒散粒噪声对应于每秒每赫兹带宽最大1.3个光子。我们预测的四个因素相比，传统的约瑟夫森参量放大器的动态范围增加。
2018-05-19 cond-mat.supr-con physics.ins-det
Design and characterization of a lumped element single-ended superconducting microwave parametric amplifier with on-chip flux bias line
我们展示了一个集总元件约瑟夫森参量放大器，使用单端设计，包括一个片上，高带宽的磁通偏置线。放大器可以通过输入端口或通过磁通偏置线被泵浦到其参数增益区。宽带放大在5至7 GHz之间的可调频率$ω/2 π$下实现，具有量子限制噪声性能、大于500 MHz的增益带宽积和超过-120 dBm的输入饱和功率。偏置线允许放大器的快速频率调谐，在小于10 ns的时间尺度上具有数百MHz的变化。
2013-10-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Gate-tunable Josephson parametric amplifiers based on semiconductor nanowires
University Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；Grenoble INP（格勒诺布尔国立理工学院）；Institut Néel（内尔研究所）；Center for Quantum Devices（量子器件中心）；Niels Bohr Institute（尼尔斯·玻尔研究所）；University of Copenhagen（哥本哈根大学）
本研究基于平行InAs纳米线阵列制备出栅极可调约瑟夫森参量放大器，实现近1 GHz的频率调谐范围、超20 dB的多频增益及接近量子极限的噪声水平，为同材料体系的栅极可调量子比特与量子极限放大器片上集成提供了新平台。
2026-11-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
High-gain weakly nonlinear flux-modulated Josephson parametric amplifier using a SQUID-array
我们研制了一种基于超导集总电感LC谐振器的高增益量子限幅微波参量放大器，该谐振器由8个超导量子干涉器件（SQUID）组成。该放大器通过以两倍于谐振器频率调制穿过SQUID的通量来参数泵浦。在5 GHz附近，非简并工作模式下，最大增益为31 dB，乘积幅度增益×带宽大于60 MHz，在20 dB增益下，1 dB压缩点为-123 dBm。相敏放大-去放大也在退化模式下测量，并产生37 dB的最大增益。由于SQUID阵列的非线性较小，所获得的压缩点比具有相同电感的单个SQUID所获得的压缩点高18 dB。
2014-09-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Four-channel System for Characterization of Josephson Parametric Amplifiers
本文提出一种基于4通道宽带噪声源的低温测量装置，用于在20 mK下同时表征约瑟夫森参量放大器和HEMT放大器的增益与噪声，以支持轴子搜索实验。
2023-05-09 cond-mat.supr-con physics.ins-det
Superconducting resonator parametric amplifiers with intrinsic separation of pump and signal tones
本文提出在低温环行器后运行半波超导谐振器放大器的本征泵浦分离方案，无需相位匹配，并在 NbN 器件上验证了高增益、稳定运行和有效泵浦抑制。
2024-10-28 astro-ph.IM cond-mat.supr-con physics.ins-det
Josephson Traveling Wave Parametric Amplifiers with Plasma oscillation phase-matching
提出将放大器中心线的Josephson结作为相位匹配谐振元件，利用Josephson等离子体振荡产生波矢失配并防止泵浦能量转换，实现15 dB增益和3.5 GHz带宽，性能与最先进TWPAs相当。
2025-08-11 cond-mat.supr-con quant-ph
Josephson Traveling-Wave Parametric Amplifier with Inverse Kerr Phase Matching
本文实验演示了超导行波参量放大器中的逆克尔相位匹配技术，在3 GHz带宽内实现20 dB增益、8 GHz可调带宽、最小增益纹波及接近量子极限的噪声性能，克服了传统相位匹配在泵浦频率附近增益不可用等局限。
2025-07-22 cond-mat.supr-con quant-ph
Nonlinear characteristics of Ti, Nb, and NbN superconducting resonators for parametric amplifiers
本文测量了Ti、Nb和NbN超导半波长谐振器的非线性特性，并成功将其用作参量放大器，实现了大于20分贝的增益，且可在高次谐波及约4开尔文下工作，并发现NbN中的交叉谐波放大机制。
2023-10-17 astro-ph.IM cond-mat.supr-con
CAPP Axion Search Experiments with Quantum Noise Limited Amplifiers
本文报告了韩国CAPP为5个不同频率范围的轴子搜索实验开发并运行低噪声放大器，其噪声温度接近量子极限，以提升实验灵敏度。
2023-04-24 astro-ph.IM cond-mat.supr-con hep-ex
Performance optimization of cascaded traveling wave Josephson parametric amplifiers
Aalto University（阿尔托大学）；VTT Technical Research Centre of Finland Ltd（芬兰技术研究中心有限公司）
本文提出级联短SNAIL-TWPA与长TWPA的架构，在约1 GHz带宽内实现近30 dB增益且噪声接近量子极限，为高增益宽带量子放大提供实用方案。
2026-09-22 cond-mat.supr-con quant-ph
Characterization of a flux-driven Josephson parametric amplifier with near quantum-limited added noise for axion search experiments
轴子是一种假想的基本赝标，有望解决QCD的强CP问题，也是暗物质的一个有希望的候选者。最灵敏的轴子搜索实验在毫开尔文温度下进行，因此依赖于将信号从低温系统传送到室温仪器的仪器。影响这些探测器的参数扫描速度的最大限制因素之一是信号检测链中的组件所添加的噪声。由于链路中的第一个放大器限制了最小噪声，因此低噪声放大至关重要。本文报道了磁通驱动约瑟夫森参量放大器（JPA）的工作频率约为2.3 GHz，附加噪声接近量子极限。JPA被用作第一级放大器，实验设置类似于Haloscope轴子探测器中使用的设置。通过将JPA以19 dB的增益工作，并将其与两个以4 K工作的低温放大器级联，整个信号检测链的噪声温度低至120 mK。
2021-01-21 astro-ph.IM cond-mat.supr-con hep-ex
Power-dependent internal loss in Josephson bifurcation amplifiers
我们研究了非线性超导谐振器：中间有约瑟夫森结（JJ）的λ/2共面波导（CPW）谐振器和两端有JJ的λ/4共面波导谐振器，它们可以作为“分叉放大器”用于量子比特读出。谐振器的非线性来自于约瑟夫森结，并且由于非线性，当以足够大的功率驱动时，具有适当参数的谐振器预期对频率扫描或“分叉”显示滞后响应。我们设计并制作了谐振频率在10 GHz左右的谐振器。我们在低温下，T<0.05 K的谐振器的特点，并证实，他们确实表现出滞后。然而，滞后的大小有时比基于弱驱动状态下的负载品质因数的预测小得多。当出现差异时，主要是通过考虑内部损耗来解释的，内部损耗通常在我们的谐振器中随着相关功率范围内驱动功率的增加而增加。作为一个可能的起源的功率相关的损失，准粒子通道的电导的JJ进行了讨论。
2009-11-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Phase-sensitive cascade quantum amplifier with nearly noiseless operation
Aalto University（阿尔托大学）；VTT Technical Research Centre of Finland Ltd（芬兰技术研究中心有限公司）
本研究对比基于SQUID的约瑟夫森参量放大器（JPA）的保相与相敏工作模式，采用JPA-TWPA级联放大方案测得相敏模式下噪声温度远低于标准量子极限，为量子器件的高保真直接探测提供了新途径。
2026-08-27 cond-mat.supr-con quant-ph
Compact Superconducting Kinetic Inductance Traveling Wave Parametric Amplifiers with On-chip rf Components
该研究设计了片上微加工偏置三通和定向耦合器，实现了三波混频动态电感行波参量放大器的全集成，大幅减小占用空间并消除外部有损组件，获得17.5 dB增益和3.4量子系统噪声。
2025-03-05 cond-mat.supr-con quant-ph
Kinetic Inductance Detectors and readout electronics for the OLIMPO experiment
动力学电感探测器（KID）是一种用于天体物理学和粒子物理学的低$-$温度探测器。我们已经开发了集总元件KID（LEKID）阵列敏感的微波光子，优化了四个喇叭耦合焦平面的OLIMPO球载望远镜，工作在以150 GHz，250 GHz，350 GHz和460 GHz为中心的光谱波段。其目的是测量一些星系团的Sunyaev-Zel'dovich效应的光谱，并将在类似太空的环境中验证LEKID技术。我们的探测器是最佳的中间背景水平，由于存在的残余气氛和室温光学系统，它们的工作温度为0.3 K。LEKID平面超导电路被设计为在100和600 MHz之间谐振，并且匹配馈送波导的阻抗;谐振器的测量品质因数在$10^{4}-10^{5}$范围内，并且它们已经被调谐以获得所需的动态范围。读出电子设备由$cold$ $part$和$room-temperature$ $part$组成，前者包括低噪声放大器、直流$-$模块、同轴电缆和功率衰减器，后者基于FPGA $-$，包括上变频和下变频微波组件（IQ调制器、IQ解调器、放大器、偏置T形三通、衰减器）。在这方面的贡献，我们描述了优化，制造，表征和验证的OLIMPO探测器系统。
2019-04-03 astro-ph.IM cond-mat.supr-con physics.ins-det
