Josephson parametric amplifier with Chebyshev gain profile and high saturation
本文提出基于三阶切比雪夫匹配网络的约瑟夫森参量放大器,实现20 dB增益、500 MHz带宽和-73 dBm高饱和功率,并验证其近量子极限噪声性能及互调失真特性。
2023-05-28 physics.app-ph quant-ph
A compact design for the Josephson mixer: the lumped element circuit
我们提出了一个紧凑和有效的设计方面的增益,带宽和动态范围的约瑟夫森混频器,超导电路执行三波混频在微波频率。在一个所有集总元件为基础的电路与电流耦合端口,我们展示了非退化放大的微波信号在带宽高达50 MHz的功率增益为20 dB。该混频器的量子效率约为70 $\%$,饱和功率达到$-112$ dBm。
2015-06-08 cond-mat.supr-con quant-ph
Nondegenerate Josephson Mixers with Enhanced Bandwidth and Saturation Power for Quantum Signal Amplification and Transduction
IBM Quantum, IBM Research Center(IBM量子,IBM研究中心)
通过优化约瑟夫森环调制器参数并引入集总元件耦合模式网络,显著提高了非简并约瑟夫森混频器的带宽和饱和功率,使其适用于频率复用量子处理。
2025-08-08 quant-ph
Kinetic Inductance Parametric Converter
本文提出并演示了一种基于动感电感纳米线弱分布非线性的参量转换器,利用直流偏置实现三波混频,获得30 dB增益和-108 dBm动态范围,可拓展量子极限信号处理应用。
2024-07-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Simple, High Saturation Power, Quantum-limited, RF SQUID Array-based Josephson Parametric Amplifiers
本文提出结合未截断 Hamiltonian 时域仿真、制备约束与饱和功率优化的 RF SQUID 阵列 Josephson 参量放大器,实现高带宽、高饱和功率和 62% 量子效率的保相量子比特测量。
2024-05-21 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
Fabrication of low-loss Josephson parametric devices
本工作制备并表征了GHz频率下的低损耗Josephson参数器件,通过拟合散射数据实现单光子区间显著超过$10^5$的内部品质因子,并经压缩真空态纯度验证,推动了高性能超导量子电路发展。
2025-05-05 cond-mat.supr-con quant-ph
Josephson junction microwave modulators for qubit control
我们展示了基于约瑟夫森结的双平衡混频器和移相器电路,工作在6-10 GHz,并集成这些组件来实现单片幅度/相位矢量调制器和正交混频器。这些器件由通量信号驱动,不消耗芯片上的功率,输入饱和功率超过1 nW,并为超导量子位的集成控制提供低温微波调制解决方案。
2017-02-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Intermodulation Distortion in a Josephson Traveling Wave Parametric Amplifier
本文研究了 Josephson 行波参量放大器在频分复用读出中产生的互调失真现象,发现其会导致超导量子比特读出的串扰和保真度降低,并建议通过增大泵浦与信号频率间的失谐来缓解此问题。
2022-10-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Higher order non-linear effects in a Josephson parametric amplifier
约瑟夫森结的电流-相位关系的非线性是约瑟夫森参量放大器(JPA)的关键资源,JPA是迄今为止唯一在微波频率下实现量子极限的器件。描述JPA的标准方法仅考虑最低阶(三次)非线性,从而导致类Duffing振荡器运动方程或哈密顿量中的克尔型非线性项。在本文中,我们推导出了JPA增益的量子表达式,其中包括线性响应区域中所有阶的约瑟夫森结非线性。然后,我们分析了半经典方法中较强信号的增益饱和效应。我们的研究结果揭示了高阶非线性效应及其对JPA操作的影响。
2015-09-21 quant-ph
An rf-SQUID-based traveling-wave parametric amplifier with -84 dBm input saturation power across more than one octave bandwidth
本文实现了一种基于rf-SQUID的行波参量放大器,在3.5-8.5 GHz带宽内获得20 dB增益和-84 dBm饱和功率,比先前工作高十倍,并测得额外噪声为0.8-1.5光子。
2025-09-26 cond-mat.supr-con quant-ph
Broadband merged-element Josephson parametric amplifier
针对宽带量子极限放大器设计制造难题,研究人员提出将分立并联电容与约瑟夫森结直接集成的宽带合并元件约瑟夫森参量放大器,简化工艺且兼容标准超导量子比特制造流程,实验验证其具备近量子极限噪声等优良性能,有望推动超导量子信息与量子计算发展。
2025-06-17 quant-ph
Supergap and subgap enhanced currents in asymmetric {S_1FS_2} Josephson junctions
我们从理论上研究了三维正常金属和铁磁约瑟夫森组态中的超导电流分布,其中超导引线中的超导能隙大小不等,即,$Δ_1\neq Δ_2$,创建非对称$S_1NS_2$和$S_1FS_2$系统。我们的研究结果表明,通过增加超导间隙$Δ_2/Δ_1$的比例,在弹道$S_1NS_2$系统中的临界超电流可以增强超过$100\%$,并达到饱和点,或衰减,这取决于结的厚度,磁化强度和化学势。发现扩散$S_1NS_2$系统的总临界电流以抛物线方式增加$50\%$以上,并通过增加其中一个超导能隙而达到饱和。在均匀的铁磁结中,超导电流通过增加$Δ_2/Δ_1>1$而发生反转。通过将总的超导电流分解为超能隙和亚能隙,我们的结果说明了它们对约瑟夫森电流的相对贡献。结果表明,在$S_1FS_2$结中,亚能隙电流和超能隙电流的竞争导致了电流-相位关系中二次谐波的出现。与扩散非对称约瑟夫森组态不同,在包括费米能级失配、磁化强度和结厚等参数的宽范围内,在含$Δ_2/Δ_1=1$的弹道系统中,超导电流的行为可以仅由子能隙电流分量来描述.有趣的是,当$Δ_2/Δ_1>1$,我们的结果发现多个参数集的总超电流是由超间隙组件驱动。因此,我们的综合研究突出了亚能隙和超能隙超电流分量在弹道和扩散制度的重要性。
2021-03-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Multiparametric Amplification and Qubit Measurement with a Kerr-free Josephson Ring Modulator
基于约瑟夫森结的参量放大器已经成为超导量子机器中普遍存在的部件。虽然参量放大器通常可以达到接近量子极限的性能,但它们有许多局限性,包括饱和功率低、方向性差和带宽窄。第一个被认为是源于高阶哈密顿项特有的约瑟夫森结电路,后两个是直接后果的性质的参数相互作用的权力。在这项工作中,我们将解决这两个问题。首先,我们设计了一个新的,线性分流约瑟夫森环调制器(JRM),几乎为零的所有四阶项在一个单一的磁通偏置点。接下来,我们通过一对平衡参数驱动器实现增益。当单独应用时,这些驱动器产生相位保持增益(G)和无增益光子转换(C),当一起应用时,所得到的放大器(我们称之为GC)是具有大的增益无关带宽的双向、相位敏感的仅透射放大器。最后,我们还展示了GC放大器的实用性,以及它的量子效率,通过使用它来读取超导transmon量子比特。
2019-12-20 quant-ph
Josephson traveling-wave parametric amplifier based on low-intrinsic-loss coplanar lumped-element waveguide
本研究提出基于低损耗共面集总元件波导的JTWPA,采用开路短截线电容等实现低插入损耗,引入加窗正弦调制抑制增益纹波,在实用电路中仍保持宽频带、近量子极限噪声的良好性能。
2025-10-29 physics.app-ph quant-ph
Impedance-Engineered Josephson Parametric Amplifier with Single-Step Lithography
该研究通过单步光刻工艺实现了阻抗工程约瑟夫森参量放大器,实现了 18dB 增益和接近量子极限的性能,为宽带 JPA 提供了新的理论基础。
2025-12-05 quant-ph
Josephson parametric circulator with same-frequency signal ports, 200 MHz bandwidth, and high dynamic range
本文提出一种三端口约瑟夫森参量环行器,两个信号端口同频工作且仅需两个反相泵浦,在200 MHz带宽内实现高达15 dB非互易性、低插入损耗和高动态范围,简化了量子比特读出集成要求。
2023-05-09 physics.app-ph quant-ph
Broadband CPW-based impedance-transformed Josephson parametric amplifier
本文提出一种集成喇叭状共面波导的宽带阻抗变换约瑟夫森参量放大器,以简化设计并保持低噪声、宽带宽和近量子极限性能,适用于量子计量、通信与信息处理。
2023-10-26 physics.app-ph quant-ph
Gain compression in Josephson Traveling-Wave Parametric Amplifiers
本研究实验探究约瑟夫森行波参量放大器的增益压缩,发现泵浦耗尽并非唯一饱和机制,功率诱导相位匹配也起作用,为高功率应用优化提供见解。
2025-05-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fabrication and Characterization of Impedance-transformed Josephson Parametric Amplifier
本文提出用双层抗蚀剂剥离工艺制备 IMPA 电容器介质层,实验实现超 950 MHz 带宽、10 dB 以上增益和近量子极限噪声,且对超导量子比特无反作用,信噪比从 1.69 提升至 14.56,为大规模量子计算提供关键放大器件。
2025-03-10 physics.app-ph quant-ph
Ultra low noise readout with travelling wave parametric amplifiers: the DARTWARS project
DARTWARS项目的目标是开发具有高增益、大带宽、高饱和功率和接近量子极限噪声的高性能创新行波参量放大器。其应用的目标频率范围为5 - 10 GHz,预期噪声温度约为600 mK。发展遵循两种不同的方法,一种基于约瑟夫森结,一种基于超导体的动力学电感。本文主要介绍约瑟夫森行波参量放大器的设计、初步测量和约瑟夫森结阵列均匀性的测试。
2022-07-26 quant-ph
A photonic crystal Josephson traveling wave parametric amplifier
将尽可能接近量子极限的噪声性能与大带宽和高饱和功率相结合的放大器对于许多固态量子技术(例如,高保真度量子位读出或高灵敏度电子自旋共振)是非常期望的。本文介绍了一种基于超导量子干涉器件的新型行波参量放大器。该器件具有3 GHz带宽、-102 dBm 1 dB压缩点和接近量子极限的附加噪声。与现有技术相比,它的结构紧凑了一个数量级,其特性阻抗是原位可调的,其制造过程只需要两个光刻步骤。关键是在传输线的色散关系中设计间隙。这是使用SQUID尺寸的周期性调制来获得的,类似于使用光子晶体所做的。此外,我们提供了一种新的理论处理方法来描述非线性与这种周期性之间的非平凡相互作用。我们的方法提供了一条与其他量子器件(如量子比特)共集成的途径,因为我们的放大器占用空间小,易于制造。
2019-10-18 cond-mat.mes-hall 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
Readout of a quantum processor with high dynamic range Josephson parametric amplifiers
我们展示了一个高动态范围的约瑟夫森参量放大器(JPA),其中的有源非线性元件是使用一个阵列的rf-SQUID。该器件通过Klopfenstein锥形阻抗Transformer与50 $Ω$环境相匹配,带宽为250-300 MHz,20 dB增益时输入饱和功率高达-95 dBm。使用54量子位Sycamore处理器对这些器件进行基准测试,提供读出功率的校准、放大器附加噪声的估计以及与具有单个dc-SQUID的标准阻抗匹配参量放大器进行比较的平台。我们发现,高功率rf-SQUID阵列设计对系统噪声、读出保真度或量子位失相没有不利影响,并且我们估计放大器增加的噪声的上限为量子极限的1.6倍。最后,具有这种设计的放大器没有显示出由于增益压缩而导致的读出保真度的降低,而增益压缩可能发生在具有传统JPA的多音复用读出中。
2022-11-23 cond-mat.supr-con physics.app-ph quant-ph
Broadband SNAIL parametric amplifier with microstrip impedance transformer
约瑟夫森参量放大器是一种很有前途的量子信息处理和压缩量子态产生平台。行波和阻抗匹配参量放大器为多量子位超导电路的高保真单次读出提供宽带宽。本文提出了一种基于超导非线性非对称电感元件(SNAIL)的量子限幅三波混频参量放大器,该放大器采用基于微带传输线的两段式阻抗匹配电路来提高其有效带宽。使用具有268个约瑟夫森结的67个SNAIL的阵列来增加放大器的动态范围,形成非线性四分之一波长谐振器。在电流泵浦模式下工作,我们实验证明了$17 dB$在整个$300 MHz$带宽上的平均增益,以及$- 100 dBm$的平均饱和功率,其可以高达$- 97 dBm$,具有量子限制的噪声性能。此外,该放大器可以使用简单的技术制造,只需一个电子束光刻步骤。它的中心频率被调谐到几百兆赫以上,这反过来又将有效工作带宽扩展到$1.5 GHz$左右。
2022-10-27 quant-ph
Optimizing the nonlinearity and dissipation of a SNAIL Parametric Amplifier for dynamic range
提出了一种新的基于量子限域约瑟夫逊结的三波混频参量放大器--SNAIL参量放大器(SPA),它采用超导非线性非对称电感元件(SNAIL)阵列作为可调谐非线性源。我们展示了如何通过改变设备的物理设计来设计多个数量级的非线性。作为设计参数的函数,我们系统地探讨了限制动态范围的两个重要的放大器非理想性:增益压缩和互调失真的现象,其最小化对于高保真多量子比特读出至关重要。通过与多个器件的第一性原理理论的比较,我们演示了如何优化这些基于SNAIL的参量放大器的非线性和输入输出端口耦合,以实现更高的饱和功率,而不牺牲任何其他理想的特性。在我们的工作中阐述的方法可以扩展到改善所有形式的参数诱导混合,可以用于量子信息的应用。
2018-12-20 cond-mat.supr-con quant-ph
Gate-tunable kinetic inductance parametric amplifier
本文提出一种基于邻近化半导体纳米线、无约瑟夫森结的栅极可调谐参量放大器,实现近量子极限性能、20 dB以上增益和30 MHz增益带宽积,并具备高饱和功率、磁场兼容性和电场调谐优势。
2024-02-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum Radar: An Engineering Perspective
本综述从工程视角全面概述量子雷达领域,探讨其利用超导器件产生的微波纠缠提升检测性能的理论基础、关键子系统及实验进展,表明该技术正从理论走向实用。
2025-10-12 quant-ph
Granular Aluminum Parametric Amplifier for Low-Noise Measurements in Tesla Fields
本文提出一种基于颗粒铝谐振器的非简并参量放大器,可在高达1特斯拉磁场下工作,提供接近量子极限的20分贝增益,适用于自旋量子比特等磁场环境中的低噪声测量。
2025-02-25 quant-ph
Lumped-element two-section impedance-matched SNAIL parametric amplifier
本文提出一种集总元件双节阻抗匹配SNAIL参量放大器,采用双极点切比雪夫匹配网络,在磁通泵浦模式下实现了600MHz带宽内15dB平均增益、-107dBm饱和功率及量子极限噪声性能。
2024-10-23 quant-ph
Magnetic-Field and Temperature Limits of a Kinetic-Inductance Traveling-Wave Parametric Amplifier
University of Cologne(科隆大学);Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology(加州理工学院喷气推进实验室);Department of Applied Physics and Materials Science, California Institute of Technology(加州理工学院应用物理与材料科学系);JARA Institute for Quantum Information (PGI-11), Forschungszentrum Jülich(于利希研究中心JARA量子信息研究所);Quantum Research Center, Technology Innovation Institute(技术创新研究院量子研究中心)
本研究探究磁场与温度对薄NbTiN反向微带动电感行波参量放大器性能的影响,验证了其在较高磁场和3K温度下的工作能力,为多类量子与探测领域应用提供了新可能。
2025-09-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Quantum-limited traveling-wave parametric amplifier based on DUV-defined planar structures
Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL)(洛桑联邦理工学院);Institute of Electrical and Micro Engineering (IEM)(电气与微电子工程研究所);Center for Quantum Science and Engineering(量子科学与工程中心);WithWave Co., Ltd.(WithWave有限公司)
本文提出一种结合深紫外光刻平面元件与电子束刻蚀约瑟夫森结的行波参量放大器,实现了紧凑型、低损耗且接近量子极限的放大器,为大规模量子系统提供低温微波硬件的可行路径。
2026-08-26 quant-ph
Broadband Kinetic-Inductance Parametric Amplifiers with Impedance Engineering
本文提出三级阻抗变换器方案,利用高动感电感NbTiN薄膜将非线性谐振器特征阻抗提升十倍,实现了宽带、高饱和功率且可在高温强磁场下工作的动感电感参量放大器KIMPA。
2025-11-11 physics.app-ph quant-ph