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
Kinetic inductance traveling wave amplifier designs for practical microwave readout applications
针对KIT难集成、泵浦功率需求高的问题，提出采用薄NbTiN薄膜和倒置微带线的新型KIT设计，实现10dB以上增益、5.5-7.25GHz带宽，系统附加噪声不超3个量子，可用于实用微波读出。
2024-12-13 cond-mat.supr-con quant-ph
Traveling-wave parametric amplifier based on three-wave mixing in a Josephson metamaterial
我们研制了一种三波混频的约瑟夫森行波参量放大器[A. B. Zorin，Phys. Rev. Applied 6，034006，2016]。该放大器由一个微波传输线形成的非滞后单结SQUID的串行阵列。这些SQUID是磁通偏置的方式，跨约瑟夫森结的相位降等于90度，并且SQUID回路中的持续电流等于约瑟夫森临界电流值。这种一维超材料具有最大的二次非线性和零三次（克尔）非线性。这种性质允许相位匹配和指数功率增益的传播微波发生在一个很宽的频率范围。我们报告了在T = 4.2 K的温度下对Nb三层样品进行的原理验证实验，这表明我们的实用宽带约瑟夫森参量放大器的概念是有效的，并且非常有希望实现量子限制操作。
2017-05-08 cond-mat.supr-con quant-ph
Input Impedance and Gain of a Gigahertz Amplifier Using a DC SQUID in a Quarter Wave Resonator
由于其优越的噪声性能，SQUID是一个有吸引力的替代高电子迁移率晶体管构建超低噪声微波放大器的低温使用。我们描述了一个集总元件SQUID电感耦合到四分之一波长谐振器的使用。谐振器作为一个阻抗Transformer，也使它有可能首次准确地测量输入阻抗和固有的SQUID的微波特性。我们提出了一个模型的输入阻抗和增益，比较它的测量散射参数，并描述了如何使用该模型的系统设计的低噪声微波放大器具有广泛的性能特点。
2008-06-17 cond-mat.supr-con
Quantum state tomography of an itinerant squeezed microwave field
利用约瑟夫森参量放大器（JPA）对微波场的巡游压缩态进行了态层析成像。我们使用第二个JPA作为前置放大器，以将场正交测量（QM）的量子效率从2%提高到36 +/-4%。在不校正检测效率的情况下，我们观察到最小正交方差，其为真空方差的69 +/-8%。我们用极大似然方法重建了态的密度矩阵，并推断压缩态的最小方差小于真空度的40%，不确定性主要由校准系统引起。
2011-05-06 cond-mat.supr-con quant-ph
Josephson directional amplifier for quantum measurement of superconducting circuits
我们已经实现了一个微波量子限制放大器，它是定向的，因此可以在许多量子测量中不需要前置环行器的情况下工作。放大仅在输入和输出端口之间的一个方向上发生。通过多泵浦参量放大结合波干涉实现方向性。我们已经验证了器件的噪声性能，用它来读出超导量子比特和观察量子跳跃。有了这个设备的改进版本，量子比特和前置放大器可以集成在同一芯片上。
2013-11-21 cond-mat.supr-con quant-ph
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
Hybridized-Mode Parametric Amplifier in Kinetic-Inductance Circuits
本研究提出了一种基于动能电感谐振器的双模式参量放大器，实现了高增益和高带宽的量子极限放大，适用于超导量子技术的先进读取。
2025-12-03 cond-mat.supr-con quant-ph
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
Experimental Tomographic State Reconstruction of Itinerant Microwave Photons
研究超导腔中微波光子局域化的广泛实验对我们理解辐射的量子特性做出了重要贡献。然而，到目前为止，人们对微波光子的研究却少得多。在这里，我们提出的测量中，我们重建的Wigner函数的巡回单光子Fock状态和它们的叠加与真空使用线性放大器和正交幅度检测器。我们已经开发出有效的方法来分离所检测到的单光子信号从放大器添加的噪声通过分析测量的振幅分布的矩高达4阶。这项工作预计将使在线性量子光学的背景下传播微波的研究。
2010-11-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Dual-Path Methods for Propagating Quantum Microwaves
本文研究了双光路方法在量子微波传输中的量子态层析、纠缠探测和信道噪声重构等方面的应用。所提出的方案利用以下关键元件：传播通道，分束器，线性放大器，和现场正交检测器。值得注意的是，我们的方法是容忍无处不在的噪声添加到信号的相位不敏感的微波放大器。此外，我们用数值例子和实验数据分析了我们的技术，并将它们与Eichler $et$ $al$（2011 Phys. Rev. Lett. 106 220503; 2011 Phys. Rev. Lett. 107 113601），基于一个单一的路径。我们的方法提供了关键的工具箱组件，可能铺平道路，量子微波隐形传态和通信协议。
2014-01-08 cond-mat.mes-hall 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
Squeezing with a flux-driven Josephson parametric amplifier
约瑟夫森参量放大器（JPA）由于其良好的噪声性能，在电路量子电动力学（QED）和量子微波传播研究中有着广泛的应用前景。在这项工作中，我们提出了一个系统的表征通量驱动的JPA在毫开尔文温度。特别地，我们详细研究了它的压缩特性，通过两种不同的检测技术。在零拍装置中，我们观察到了信号带和闲频带叠加产生的真空涨落压缩。为了定量分析，我们应用双路径互相关技术重建了各种压缩真空态和热态的维格纳函数。在10 dB信号增益下，我们发现真空以下有4.9 ± 0.2 dB的压缩。此外，我们讨论了压缩相干微波场背后的物理。最后，我们分析了简并模式下的JPA噪声温度，发现一个小于相位不敏感放大器的标准量子极限的值。
2013-07-27 cond-mat.mes-hall 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
Cavity electromechanics with parametric mechanical driving
在过去的几年中，微波光机械电路已被证明是非常powerfool工具，探索宏观机械振荡器的基础物理，以及作为有前途的候选人，为新的芯片上的量子限制微波器件。在迄今为止的大多数实验中，机械振荡器要么被用作无源器件元件，其位移使用超导腔来检测，要么由腔内场来操纵。在这里，我们探讨了直接和参数化操纵腔机电系统的机械纳米梁谐振器的可能性，这为微波光机械设备的工具箱提供了额外的功能。除了使用腔作为干涉仪来检测参数调制的机械位移和压缩热机械运动，我们证明了纳米梁谐振频率的参数调制可以实现腔内微波光子的相敏参量放大器。与使用机电电路的许多其他微波放大方案相比，所提出的技术允许机械元件的同时冷却，这可能使这种类型的光机械微波放大器成为量子限制的。
2019-08-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Pump-efficient Josephson parametric amplifiers with high saturation power
本研究数值研究约瑟夫森参量放大器的功率附加效率上限，提出两种电路实现和级联方案，在20 dB增益下将PAE从0.1%提升至至少95%。
2025-02-24 cond-mat.supr-con quant-ph
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
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
Quantum microwave parametric interferometer
本研究构建了基于超导磁通驱动约瑟夫森参量放大器的量子微波参数干涉仪（QUMPI），实验证实其高斯干涉功率突破散粒噪声极限，还确定了适用于量子照明最优测量的低增益工作模式。
2023-03-02 cond-mat.supr-con quant-ph
An RF-Driven Josephson Bifurcation Amplifier for Quantum Measurements
我们已经构建了一种新型的放大器，其主要目的是读出超导量子比特。它是基于一个射频驱动的约瑟夫森结之间的两个不同的振荡状态附近的动力学分岔点的过渡。这种新的放大器的主要优点是速度，高灵敏度，低反作用，并没有片上耗散。对纳米铝结的脉冲微波反射测量表明，实际器件达到了理论预测的性能。
2003-12-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Flux-driven Josephson parametric amplifiers: Hysteretic flux response and nondegenerate gain measurements
约瑟夫森参量放大器（JPA）已成为量子科学和超导电路技术中的关键器件。特别是，它们可以用作量子限制放大器或作为压缩微波场的源。在这里，我们报告的详细测量的五个磁通驱动的JPA，其中三个表现出滞后依赖的谐振频率与所施加的磁通量。我们模型的直流超导量子干涉器件（dc-SQUID），它提供了JPA的非线性，为有限的屏蔽参数$β_\mathrm{L}\,{>}\,0$的二维潜在景观的基础上，通过数值模拟的测量特性，并表现出良好的数值结果和实验数据之间的协议。此外，我们还研究了不同JPA的非简并响应，并用我们的理论准确地描述了实验结果。
2016-09-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
A dissipative quantum reservoir for microwave light using a mechanical oscillator
从精确测量到控制单个量子系统，系统与其环境的隔离通常是可取的;然而，耗散也可以是一种有用的资源。值得注意的是，工程耗散使得原子、离子或超导量子比特的量子态的制备以及它们的稳定化成为可能。这是通过适当地设计耦合到由电磁模式形成的耗散冷储存器来实现的。类似地，在腔机电和光机械领域中，对机械振荡器的控制利用电磁自由度的固有冷耗散性质。打破这种范式，最近的理论工作已经考虑了相反的制度，其中机械振荡器的耗散占主导地位，并提供了一个冷的，耗散水库的电磁模式。在这里，我们实现了微波腔光机系统中的这种反向耗散制度，并实现了准瞬时，微波光的冷水库。耦合到这个水库能够操纵微波腔的敏感性，对应于微波场的动态反作用控制。此外，我们观察到参数不稳定性的开始，即微波的受激发射（激射）。同样重要的是，水库可以作为一种有用的量子资源。我们证明这一点，采用工程冷水库实现大增益（40分贝以上）相位保持微波放大器，操作0.87量子以上的限制由量子力学施加的附加噪声。这种耗散冷库形成微波纠缠方案的基础，耗散量子相变的研究，具有无限增益带宽产品的放大器和非互易设备，从而扩展了量子限制微波操纵技术的可用工具箱。
2016-09-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
The Josephson Bifurcation Amplifier for Quantum Measurements
我们已经构建了一种新型的放大器，其主要目的是读出超导量子比特。它是基于一个射频驱动的约瑟夫森结之间的两个不同的振荡状态附近的动力学分岔点的过渡。这种新的放大器的主要优点是速度，高灵敏度，低反作用，并没有片上耗散。利用脉冲微波技术，我们证明了在纳米制造铝结的分岔放大，并验证了理论预测的性能达到。
2005-07-11 cond-mat.stat-mech cond-mat.supr-con
Noise Performance of Lumped Element Direct Current Superconducting Quantum Interference Device Amplifiers in the 4 GHz-8 GHz Range
本文研究了集总元件直流超导量子干涉器件放大器的噪声。我们表明，在4 GHz-8 GHz范围内的噪声温度超过10的MHz的范围是低于1开尔文（三个光子的附加噪声），其特征的整体行为的噪声作为偏置参数的函数，并讨论潜在的机制，确定在这个放大器的噪声性能。我们表明，该设备可以提供超过10个因素的改善，在实际的系统噪声在这个频带中现有的相位保持微波测量系统。
2010-09-23 cond-mat.supr-con physics.ins-det
Characterizing cryogenic amplifiers with a matched temperature-variable noise source
本文介绍了一种特性阻抗为50 $Ω$的低温微波噪声源，它可以安装在低温恒温器的同轴线上。噪声源的浴温度在0.1 K和5 K之间连续变化，而不会对样品空间造成显著的反作用加热。作为一个概念验证实验，我们进行Y因子测量的放大器级联，包括行波参量放大器和商业高电子迁移率晶体管放大器。我们观察到系统的噪声温度低至$680^{+20}_{-200}$ mK在5.7 GHz对应于$1.5^{+0.1}_{-0.7}$多余的光子。我们提出的系统在固态量子位读出线的验证中具有直接的应用。
2021-02-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con physics.app-ph
Nonreciprocity in microwave optomechanical circuits
非互易装置，如隔离器和循环器是必要的，以保护敏感设备免受不必要的噪音。最近，提出了各种替代方案来取代基于铁氧体的商业技术，其动机是与微波超导量子线路集成。在这里，我们回顾了微波光机械电路实现的隔离器，并提出了一个回转器为基础的图片，发展在这些系统中的非互易性的起源的直觉。这种非互易的光机械方案显示出希望，因为它们可以扩展到循环器和定向放大器，在增加的噪声方面具有达到量子极限的前景。
2018-04-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
A microwave transducer for a nano mechnical resonator
给出了基于共面微波腔电容耦合纳米机械谐振器测量方案的量子主方程描述。该系统具有丰富的分岔结构，类似于非线性光学中的次/二次谐波产生。我们展示了它是如何被配置为一个分叉放大器传感器弱力检测。
2007-02-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Bimodal Approach for Noise Figures of Merit Evaluation in Quantum-Limited Josephson Traveling Wave Parametric Amplifiers
超低噪声微波放大器的出现彻底改变了几个需要量子限制技术的研究领域。利用线性相位保持放大器的理论双峰描述，在本文中，我们分析了模型架构的一些固有特性（即，基于rf-SQUID的约瑟夫森行波参量放大器）在放大和噪声产生方面的关键案例研究输入状态（Fock和相干）。此外，我们提出了一个分析的输出信号时，热噪声波动的参数放大机制饲料的设备。
2021-12-29 cond-mat.supr-con
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
Bandwidth and dynamic range of a widely tunable Josephson parametric amplifier
利用微波场来操纵量子信息的能力使得约瑟夫森参量放大器（JPA）重新受到人们的关注。对于这些应用，JPA以最小的附加噪声放大信号的能力至关重要。不幸的是，JPA通常是动态范围小的窄带放大器。因此，了解任何特定JPA的带宽和动态范围以确定它是否适合这些应用程序是很重要的。我们最近推出了一种新的JPA。虽然它仍然是窄带，但放大的频带可以在整个倍频程上调谐。我们已经表明，它具有良好的噪声性能，可以挤压真空噪声10分贝。在这里，我们的其他重要参数的放大器，特别是信号带宽，动态范围和饱和功率。
2009-03-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Amplification and squeezing of quantum noise with a tunable Josephson metamaterial
最近，将超导量子比特的量子态和纳米机械振荡器的位置编码成微波场的状态已经成为可能。然而，为了对量子比特的状态进行理想的测量，或者以量子限制的灵敏度检测机械振荡器的位置，需要不添加噪声的放大器。如果放大器增加的噪声小于半个量子，它也可以挤压电磁真空的量子噪声。真空的高压缩态是一种重要的量子信息源。它们可以用来产生纠缠或实现反作用回避的位置测量。在这里，我们介绍了一个通用的参数设备，它工作在4和8 GHz之间的频带。它是一种亚量子限制的微波放大器，它放大的量子噪声高于商用放大器的附加噪声，并将量子波动压缩10 dB。
2008-06-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Noise Properties of Superconducting Coplanar Waveguide Microwave Resonators
我们测量了薄膜超导共面波导谐振器的噪声。这种噪声完全表现为相位噪声，相当于谐振频率的抖动。相比之下，在我们测量的灵敏度下没有观察到振幅波动。相位和幅度方向上的噪声功率之间的比率很大，超过30 dB。这些结果对探测器、放大器和量子比特等各种器件的共振读出具有重要意义。我们认为相位噪声是由于介电材料中的二能级系统。
2007-02-02 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
Dispersive magnetometry with a quantum limited SQUID parametric amplifier
目前，在测量和操纵纳米级磁体，特别是在量子相干制度的基本和技术的兴趣。为了观察这种系统的动态，人们需要一个磁强计，不仅具有特殊的灵敏度，而且还具有高增益，宽带宽和低反作用。我们展示了一个分散的磁强计组成的两个结SQUID并联集成，集总元件电容器。输入通量信号被编码为施加到磁力计的微波驱动音的相位调制，从而产生单个正交电压信号。对于强驱动功率，谐振器的非线性导致该信号的量子限制、相敏参量放大，这以带宽为代价提高了通量灵敏度。根据驱动器参数，器件性能范围从0.29 \textbf{} $μΦ_{0}$ Hz $^{-\frac{1}{2}}$和20 MHz信号带宽的有效通量噪声到0.14 $μΦ_{0}$ Hz $^{-\frac{1}{2}}$和0.6 MHz带宽的噪声。这些结果与我们的理论模型非常吻合。
2010-12-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Reflection-enhanced gain in traveling-wave parametric amplifiers
本文提出包含反射波相互作用的行波参量放大器增益解析解，揭示反射可增强增益并抑制非线性相位调制，并在两类非匹配超导TWPA上实验验证。
2023-05-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con physics.app-ph
