动态电感参量放大器的制作方法

1.本发明的技术涉及基于超导材料的参量放大器。具体而言，本发明的技术涉及动态电感参量放大器。


背景技术：

2.参量放大是微波工程和光学中广泛使用的技术。它通过改变电路参数(例如电容或电感)来提供增益。具体而言，它依靠非线性电抗元件(用于微波的电容器或电感器，光学中的非线性折射)来混合两个ac信号。
3.功率可以从一种模式(“泵浦”(pump))转移到另一种模式(“信号”)，从而放大信号。这种放大的一个优点是在纯电抗元件中没有耗散，这意味着最小的增加的噪声。
4.例如，使用反向偏置半导体二极管的参量放大器已被证明能够在微波区域内实现非常低的噪声性能。然而，即使在这种类型的放大器中，半导体扩展电阻中产生的热噪声也是不可避免的。
5.有许多应用，例如放大诸如在量子处理器中读取量子比特期间出现的那些小信号(例如，单光子)，需要在量子处理器操作条件下提供低噪声性能并与量子处理器架构兼容的参量放大器。
6.约瑟夫森结(josephson junction)器件的参数放大用于基于约瑟夫森结超导量子比特的量子计算架构。约瑟夫森结的行为类似于高度非线性电感器。
7.为了增加放大带宽，约瑟夫森结可以并入宽带传输线，这是一类被称为(约瑟夫森)行波参量放大器(twpa)的设备。由于混合和放大发生在twpa中的许多波长中，因此必须执行色散工程以保持泵浦和信号之间的相位匹配。此外，基于约瑟夫森结的参量放大器对磁场极为敏感，并且不适合需要磁场的应用。
8.使用超导电路进行参数放大的另一种方法是利用铜对的惯性，它提供了有效的“动态电感”，该动态电感取决于通过超导体的电流。动态电感是超导体的固有特性，并且可以大到足以促进具有大的正常状态电阻率的材料(例如nbn、tin和nbtin)的参量放大。由于动态电感twpa易于制造(它们不包含任何约瑟夫森结)并且具有高动态范围(由支持的高临界电流产生)，因此动态电感twpa最近引起了极大的兴趣。动态电感的二次非线性支持四波混合过程，其中两个泵浦光子结合以创建信号光子和闲散光子。
9.最近，已经证明用dc电流来偏置动态电感twpa会产生三波混频和较低的泵浦功率要求。三波混频是有利的，因为它涉及大约两倍于信号频率的单个泵浦光子，因此很容易滤除测量链中的该单个泵浦光子。
10.到目前为止，动态电感参量放大器中的三波混频只能使用行波几何结构实现，因为这些器件必须在很宽的频率范围内对电流进行组合，覆盖dc、频率为fs的信号以及大约2fs的泵浦。动态电感twpa很长，范围从20cm到2m，这对制造微电子电路的集成提出了挑战。


技术实现要素：

11.根据第一方面，本发明提供了一种动态电感参量放大器，其包括：输入端口，其被布置为接收泵浦音调、dc偏置信号和输入信号；输出端口，其被布置为提供所述输入信号的放大版本；可调谐步进阻抗组件，其被布置为对预定频带进行衰减和/或滤波；以及高动态电感线；其中，所述可调谐步进阻抗组件被调谐在允许所述放大器以预定频率进行谐振的频率，并且泵浦音调具有的频率高于所述输入信号，并且所述dc偏置信号被发送到所述高动态电感线。
12.在实施例中，所述可调谐步进阻抗组件包括共面波导(cpw)微波带阻滤波器。
13.在实施例中，所述高动态电感线短接到地。在替代实施例中，所述高动态电感线形成四分之一波长谐振器(或其谐波)。
14.在实施例中，所述高动态电感线在所述可调谐步进阻抗组件的阻带中的频率处谐振。
15.在实施例中，所述可调谐步进阻抗的频率响应具有连续的中心线，其允许dc电流通过并提供三波混频。
16.在实施例中，所述高动态电感线包括nbtin。
17.在实施例中，所述高动态电感线包括单层nbtin。
18.在实施例中，所述步进阻抗是可调谐的。
19.根据第二方面，本发明提供了一种用于利用动态电感参量放大器来执行参量放大的方法，所述方法包括以下步骤：提供根据前述权利要求中任一项权利要求所述的动态电感参量放大器；施加dc信号，该dc信号被配置为修改动态电感和步进阻抗组件的一个或多个滤波特性；将泵浦音调和输入信号施加到输入端口；在所述输出端口处检测所述输入信号的放大版本。
20.在实施例中，所述可调谐步进阻抗组件的所述一个或多个滤波特性包括所述带阻频率和衰减值和/或质量因子。
21.在实施例中，所述动态电感参量放大器是具有大端口耦合不对称性(即，具有的端口耦合速率相差超过一个数量级)的两端口器件。
22.在实施例中，所述高动态电感线在两个不对称耦合的端口之间。
附图说明
23.尽管存在可以落入本发明的范围内的任何其他形式，为了更清楚地理解本发明的技术，现在将仅以示例的方式并参考附图描述本发明的技术的实施例，在附图中：
24.图1：示出了放大器的电路示意图(a)；使用共面波导实现的放大器的实施例(b)；以及步进阻抗滤波器/布拉格(bragg)镜的示例传输s参数(c)。
25.图2示出了从动态电感参量放大器反射的信号增益的测量结果。
26.图3是概述使用图1所示的放大器执行放大的步骤的流程图。
27.图4示出了将kipa冷却到其超导临界温度以下并将其作为放大器运行的简化设置。
28.图5a示出了放大器的相敏增益曲线。
29.图5b示出了放大器的输出功率1db增益压缩点。
30.图6a是描述相位扫描相干状态的放大和去放大以及真空噪声的挤压的示意图。
31.图6b是示出了针对不同泵浦功率的相位扫描相干状态的放大和去放大的测量结果。
32.图7a示出了使用放大器测量的自旋回波信号。
33.图7b示出了对于不同泵浦功率，放大的回波信号对泵浦相位的相位依赖性。
34.图8说明了用于在具有不同谐振频率的两种模式之间引入参量耦合的示例光学腔。
35.图9a示出了以其第一谐波为中心的放大器的反射s参数测量。
36.图9b示出了以其基础模式为中心的放大器的反射s参数测量。
具体实施方式
37.当两个波通过非线性介质时，一个波的幅度周期性地改变参数(与非线性有关)，控制另一个波的传播，导致它们之间的功率转移。第一波(泵浦)的频率应该是第二波(信号)频率的两倍或大致相同的频率，具体取决于非线性的阶数。为了使这种放大仅添加量子力学所需的噪声(据说是量子限制的)，非线性元件和其他放大器组件不应耗散能量。
38.当超导材料冷却到低于其临界温度的温度时，它们进入超导阶段，其中，电流可以几乎没有耗散地通过它们。
39.利用动态电感的超导电路可用于使用诸如nbn、tin和nbtin等材料进行参量放大。近年来，由于动态电感行波参量放大器易于制造(它们不包含任何约瑟夫森结)并且具有高动态范围(由支持的高临界电流产生)，人们对其进行了研究。动态电感的二次非线性支持四波混合过程，其中两个泵浦光子结合以创建信号光子和闲散光子。
40.本发明的实施例提供了一种以谐振结构实现的动态电感参量放大器(kipa)。该器件基于微波传输线几何结构，该微波传输线几何结构形成谐振器并且同时允许dc和高频二者在该结构中通过。
41.图1(a)示出了放大器100的示意电路表示。该设计具有单个端口102，用作泵浦音调、信号和dc信号的输入端口。同一端口102也用作输出端口。放大器100还包括步进阻抗共面波导(cpw)微波带阻滤波器104、104'，通过一段高动态电感线106短接到地。高动态电感部分106通过带阻滤波器104、104'与输入/输出端口102去耦合并且以取决于若干因素(例如，几何形状、动态电感的量等)的频率进行谐振。带阻滤波器是通过在两个或更多个值之间改变cpw的阻抗而形成的，并且其参数(衰减、带宽)可以通过改变步进阻抗的阻抗、截面长度和重复次数来调谐。这种配置也可以被看作是光学中的布拉格腔，其中微波被布拉格镜(步进阻抗cpw)限制在高动态电感线(腔)中。
42.图1(b)示出了使用cpw 150实现的放大器的实施例。输入端口152直接连接到波导，波导包括分布式阻抗布置154。共面波导馈送高动态电感部分156。
43.图1(c)示出了通过诸如阻抗滤波器/布拉格反射镜104、104'的示例步进阻抗滤波器的微波传输模拟。在实施例中，选择腔的长度以在第一阻带的某处产生谐振，例如在虚线位置处。由于cpw有一条连续的中心线，其使dc电流通过以产生三波混频。此外，滤波器使泵浦信号以双倍频率(图1(c)中的虚线)通过。
44.高动态电感部分156到馈线152的外部耦合速率设置了谐振器的带宽，并且因此设
置了放大器的带宽。外部耦合速率可以通过带阻滤波器154的设计来控制。概括地说，降低带阻滤波器的衰减经增加放大器的带宽。
45.在另一实施例中，高动态电感部分156的接地连接可以用第二布拉格反射镜和耦合速率低于第一端口152、154的端口来代替。在本实施例中，第二端口的耦合速率比第一端口的耦合速率低一个数量级以上。例如，可以通过增加带阻滤波器/布拉格镜中步进阻抗结构的重复次数来降低耦合速率。输入信号应用于端口1或端口2，并且由于非对称耦合速率，输入信号将优选通过更强耦合的端口1离开设备。可以通过端口1或端口2应用泵浦音调。
46.图2示出了在存在泵浦信号和dc电流的情况下，针对从单端口nbtin kipa反射的微波信号测量的增益。除了dc电流(在本实验中有所不同)外，还应用了大约两倍于信号频率的泵浦音调。测量是在400mk的温度和200mt的平行磁场中进行的，由于nbtin的高临界场和没有约瑟夫森结，这是可能的。
47.图3示出了利用放大器100的示例过程。具体而言，该过程开始于步骤302，在该步骤处提供了如上所述的动态电感参数放大器。
48.在步骤304处，将dc信号施加到放大器100的输入端口102。dc信号被配置为：修改动态电感和步进阻抗组件的一个或多个滤波特性。
49.在步骤306处，泵浦音调和输入信号被施加到输入端口102。泵浦音调可以具有的频率是输入信号频率的两倍。
50.最后，在步骤308处，在输出端口(与输入端口102相同)处检测到输入信号的放大版本。
51.本公开的实施例可用于放大小信号(例如，单个光子)，例如在量子处理器中的量子比特读出期间出现的那些小信号。在实施例中，该器件由单层nbtin和单次曝光光刻制造工艺制成，因此可以成本有效地并且大规模生产。此外，由于它是谐振放大器，因此它比其他nbtin动态电感放大器短得多(《2cm)，从而提高了产量。由于器件中没有约瑟夫森结，它可以在大的磁场和高温下运行，从而开辟了更多的应用领域。在实施例中，膜的大临界电流提供了高动态范围，1db压缩点超过
–
60dbm。
52.该器件的放大元件实际上是微波谐振器，可用于在低温下对小样本执行电子自旋共振(esr)谱分析。信噪比(snr)是自旋共振实验中最重要的参数之一，因为它对测量时间有很大影响。输入信号和测量链中第一放大器之间的损耗会降低snr。由于本文描述的kipa可以在磁场中操作并且可以是量子噪声限制的，因此它提供了一种集成的esr谐振器/放大器解决方案(在esr谐振器和放大器之间没有额外的损耗)，其可以有利地用于执行高灵敏度esr谱。
53.在某些配置中，谐振器还可用于通过被所谓珀塞尔(purcell)效应来放松自旋。这使得能够快速测量重复时间，否则测量重复时间会非常慢(由于在这些温度和磁场下的自旋弛豫时间较长)。
54.用于促进三波混频的dc电流还使得能够快速控制谐振器频率。
55.此外，在实施例中，dc电流也可用于改变谐振器的质量因子。这是通过改变带阻滤波器部分的阻抗和/或谐振器频率与带阻区域的相对位置来完成的。有利地，这种能力使得能够达到被称为临界耦合的状态(其中质量因子与损耗匹配)，其中设备在检测到自旋共振时最敏感。
56.相敏放大和挤压
57.此处描述的放大器100用作近乎理想的简并三波混频设备，从而允许相敏放大和挤压。通过选择精确两倍于输入信号频率的泵浦频率，ω
p
＝2ωs，从放大器100反射的输出信号可以取决于泵浦和输入信号之间的相位关系被放大或去放大。
58.相敏功率增益取决于信号功率增益gs和相对泵浦/信号相位为
[0059][0060]
当输入信号被放大，然而，如果则输入信号被去放大。
[0061]
在大信号增益的限制下，g(0)≈4gs并且g(π/2)≈1/4gs。放大器100可以使用图4中所示的示例设置作为相敏放大器来操作。具体而言，如图4所示，放大器100安装在稀释制冷机的混合室板上以实现量子限制的噪声性能。对于不需要量子限制的系统噪声的应用，如果需要，也可以在更高的温度下安装和操作放大器(例如，在4k下)。泵浦信号发生器402经由双工器404连接到放大器100，而dc偏置电流经由偏置三通406连接到信号路径。此外，输出端口经由循环器410连接到一个或多个放大级408。放大级连接到测量设置412。应当意识到，这种简化的设置400仅是示例性的。也可以使用其他测量设置。
[0062]
在使用中，输入微波信号(频率ωs，相位)和泵浦音调(频率ω
p
)可以经由泵浦信号发生器402和具有扫描相位的输入信号发生器414施加到放大器100。输出功率由测量装置412监测和测量。
[0063]
所得到的相敏增益曲线如图5a所示。具体而言，该图表示出了在退化模式下操作的放大器100增益的相位相关性。泵相位相对于固定输入信号相位是步进式的。在处信号被去放大，而在处，放大器100经历最大增益。不同的迹线采用不同的泵浦功率(在kipa输入处从-36dbm到-26dbm)，对应于不同的最大增益。如图所示，当泵浦功率为-26dbm时增益最高(约50db)，而当输入功率为-30dbm时增益约为10db。
[0064]
图5b示出了根据输入信号功率图5a中每条迹线的最大增益。插图502描绘了最大增益下降1db(1db压缩点)时的输出功率。
[0065]
除了实现异常大的增益(最高50db)外，还发现1db压缩点输出功率大于-45dbm(图5b)。这比典型的基于jpa的参量放大器的1db压缩点高大约5-6个数量级。
[0066]
在图6中，绘制了用零差检测测量的、应用到放大器输入端的放大微波信号的输出场正交曲线。具体而言，图6a描绘了相位扫描信号的放大和去放大以及真空噪声的挤压。图6b说明了以恒定信号幅度扫描的信号相位以在iq平面上描绘圆的轨迹。随着泵浦信号的引入，圆被拉伸成椭圆，显示了放大器100的挤压能力。
[0067]
选择本地振荡器相位以使放大的场正交与输出iq平面的i轴对齐，而去放大的正交则沿输出iq平面的q轴对齐。随着泵浦功率的增加，微波音调(或所谓的相干状态)-当放大器100关闭时在iq平面上描绘圆的轨迹-，被拉伸成椭圆，如图6a和图6b所示。
[0068]
当没有施加信号并且放大器100处于满足的温度t时，输入场处于其量子力学基态并且经历零点波动。这是量子谐振子的不确定性原理的直接结果。
[0069]
基态中的场正交(被标记为x和y)服从不确定性关系(以光子数为单位)。
[0070]
δx2δy2≥1/16
[0071]
也就是说，每个正交都有1/4光子的不确定性。这种不确定性被施加在所有信号
上，并且代表了测量中噪声的量子极限。可以利用放大器100的相敏增益来沿一个正交去放大或“挤压”该噪声，代价是沿另一个正交放大了该噪声。例如，可以在x正交或y中对噪声进行反挤压，以减少其他正交中的不确定性。
[0072]
这可用于提高小微波信号的测量中的信噪比，例如，在量子比特读出、自旋共振谱和轴子搜索中的小微波信号。
[0073]
在基于约瑟夫森结的放大器中，超过12db的挤压水平迄今为止受到高阶非线性的存在的阻碍。由此产生的挤压状态在大增益下变得高度非高斯。
[0074]
图6b的半经典测量表明，可以使用放大器100来执行高度挤压，其中在最高30db的增益时看不到可见失真。该高水平的挤压部分地是由放大器的弱高阶非线性实现的。
[0075]
除了在测量中有用之外，这些高水平的挤压还可以用于实现具有连续变量集群状态的容错量子计算。在一种基于量子比特的纠错方案中，实现基于容错测量的量子计算的阈值为20.5db的挤压。
[0076]
自旋共振谱
[0077]
放大器100的高磁场兼容性也开启了自旋共振谱中的应用。电子自旋共振(esr)谱是生物学、医学、化学和材料科学中广泛使用的技术。它用于揭示材料的底层结构和功能。在传统的esr中，通常需要大约10亿个电子自旋才能在室温下产生高于系统噪声水平的信号。最近的进展已经看到超导谐振器和jpa用于将esr谱的灵敏度推到量子极限，其中，检测能力达到10个自旋的水平。
[0078]
在当前的量子限制的esr谱仪中，自旋样本与高质量因子超导平面谐振器耦合，并放置在中等磁场中(例如，对于x波段谱仪，～0.34t)。自旋将信号发射到谐振器中，然后将该信号路由到单独的jpa以进行放大。jpa对磁场极为敏感，并且必须安置在多层磁场屏蔽中。此外，需要微波循环器将谐振器连接到jpa，这会增加插入损耗，而插入损耗会降低测量的信噪比。
[0079]
放大器100是(非线性)谐振器，它可以耦合到自旋并放置在中等磁场(～0.34t)中。因此，在脉冲esr实验中发射的自旋信号可以通过应用适当定时的泵浦音调而在放大器100内被放大，从而消除对外部jpa的需要以及腔和第一放大器之间的任何相关联的插入损耗。另外，由于放大器和esr谐振器是相同的器件，因此它们的频率是匹配的。
[0080]
图7示出了放大器100内自旋回波信号的放大的示例。具体而言，图7a示出了在没有放大(蓝色迹线)和有放大(红色迹线)情况下使用放大器100测量的自旋回波信号。放大是以简并模式执行的。如图7a所示，回波区域随放大而显著增强。图7b呈现了经放大的回波信号对不同泵浦功率的泵浦相位的相位依赖性，其中放大和去放大的区域(相对于橙色的泵浦关闭数据)很明显。
[0081]
参量自旋冷却
[0082]
在光力学中，光学腔和机械谐振器之间的参量耦合可用于执行许多有用的任务，从频率转换到量子非破坏测量和冷却。具体而言，光机械冷却已被用于减少机械谐振器的热粒子数，以使它们接近其量子力学基态，或微开尔文范围内的等效温度。
[0083]
图8示出了用于引入参量耦合的传统光学腔800。具体而言，光学腔800包括两个镜子—镜子802和镜子804。可以通过将光学腔800的镜子(例如，镜子804)连接到弹簧806来引入参量耦合—该镜子804现在充当机械谐振器，其谐振频率由连接的弹簧806的质量和弹簧
常数确定。当机械谐振器振荡时，它会改变光学腔的长度，并且从而改变其谐振频率。在量子力学上，这种相互作用由哈密顿量(hamiltonian)描述：
[0084][0085]
其中，是光学腔的光子数算子，并且与机械谐振器的位移算子成正比。这种类型的相互作用被称为光机械耦合。
[0086]
冷却是通过在腔频率差ωd＝ω
1-ω0处向耦合系统引入驱动来实现的，其中，ω0为机械共振频率，而ω1为光学频率。机械谐振器中的声子被驱动器上转换为光学模式中的光子，反之亦然。由于机械模式的线宽(或耗散率)(κ0)通常比光学腔(κ1)小几个数量级，因此经上转换的光子通过光学腔耗散。如果声子去除的有效速率超过机械模式热化到其环境的速率(κ0)，则机械谐振器被冷却。
[0087]
上述转换过程也可以看作是机械模式和光学模式之间的耦合，它们在以驱动频率ωd旋转的框架中退化。调用“经线性化”近似，交互变为：
[0088][0089]
也就是说，模式和之间的耦合和其强度为其中nd是驱动器中的光子数。
[0090]
在该应用中，放大器100由短路端接的四分之一波长谐振器制成，如图1所示。在其他示例中，可以形成放大器100，其中接地端由第二端口代替。谐振器本质上是多模式的，在频率kω0处具有谐振，其中k为正整数。在短路端接放大器的情况下，k为正奇数。此外，非线性动态电感在模式之间产生自然耦合：即，一种模式中的电流改变了沿谐振器的动态电感并改变了另一种模式的频率，类似于光机械耦合。因此，可以通过将低频模式与驱动器在参数上耦合到谐振器的高次谐波来冷却低频模式。
[0091]
图9示出了耦合到第一谐波(在ω1/2π＝3ω0/2π≈21.6ghz处)的放大器100(在ω0/2π≈7.2ghz处)的基础模式。具体而言，图9示出了放大器的s参数反射测量，以两种不同模式为中心，并且存在强驱动音调。图9a示出了第一谐波，而图9b示出了基础模式。驱动音调频率沿水平轴变化。当驱动频率等于模式频率之差时，模式发生混杂(在处)，指示强耦合的开始。
[0092]
放大器100的高功率处理能力意味着可以施加大的驱动信号，甚至达到模式之间的强耦合状态(g》κ0,κ1)。此外，通过沿谐振器的长度修改阻抗(引入色散)，可以定制谐波的频率。可以移动第一谐波模式的频率，以使得将其与基础模式耦合的驱动频率不是基础频率的两倍，即ωd/2π≠ω0/π。这一点很重要，因为在ω0/π处驱动时会在基础模式中发生简并放大，这是会限制冷却效率的竞争过程。谐波到外部端口的耦合速率也可以通过在其阻带内仔细定位模式频率，或通过修改阻带的特性(例如衰减和带宽)来选择。
[0093]
因此，放大器100可用于实现类似光机械的相互作用并将谐振器的任何模式冷却到低于测量系统的有效温度。这是一种有用的能力，其可用于降低被热化到冷却模式的辅助系统的温度。
[0094]
量子限制的esr谱学的最新进展表明，耦合到超导谐振器的自旋可以经由微波光子自发发射到谐振器中来弛豫，即所谓的珀塞尔(purcell)效应。进一步证明，在这种情况下，自旋实际上确实热化为自旋所耦合到的谐振器的模式。因此，放大器100可用于冷却耦
合到该放大器模式之一的自旋(整体或单个的)。这在esr谱中很有用，在esr谱中提供了增强的偏振，并且因此提供了更大的信号。该放大器可以在高温(最高～5k)和在磁场中工作，因此这种冷却过程可以在x波段esr(2k，0.34t)的典型条件下执行。人们还可以设想使用参量冷却来对基于自旋的量子处理器中的自旋量子位的大型寄存器进行初始化。
[0095]
为了使参量自旋冷却有效，需要强的单自旋到光子耦合速率gs。自旋弛豫/热化的速率由速率由给出并且大于能量弛豫的其他速率。为了增加gs，低谐振器阻抗增强了该模式的零点磁场波动。在实现这一点的一种方法中，可以通过在接地平面156上包括叉指电容来补偿谐振器的大动态电感。
[0096]
如本文所使用的，术语“包括(comprising)”(及其语法变体)以“具有”或“包括(including)”的包含意义使用，而不是以“仅由......组成”的意义使用。
[0097]
本领域技术人员将意识到的是：在不脱离宽泛描述的本发明的精神或范围的前提下，可以对具体实施例中示出的本发明进行多种变化和/或修改。因此，本文的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。