論文の概要: Topological Josephson parametric amplifier array: A proposal for directional, broadband, and low-noise amplification
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2207.13728v4
- Date: Thu, 14 Nov 2024 15:39:09 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2024-11-17 16:50:42.929799
- Title: Topological Josephson parametric amplifier array: A proposal for directional, broadband, and low-noise amplification
- Title（参考訳）: 位相ジョセフソンパラメトリック増幅器アレイ:指向性,ブロードバンド,低雑音増幅の提案
- Authors: Tomás Ramos, Álvaro Gómez-León, Juan José García-Ripoll, Alejandro González-Tudela, Diego Porras,
- Abstract要約: 低ノイズマイクロ波増幅器は、量子技術や電波天文学などの分野で弱い信号を検出するために不可欠である。
サイトが少ないコンパクトデバイスは、数百MHzからGHzの範囲で20dB以上のゲインを達成できることを示す。
また、このデバイスは量子ノイズ限界付近で動作し、最大15%の加工障害に対するトポロジ的保護を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 39.58317527488534
- License:
- Abstract: Low-noise microwave amplifiers are crucial for detecting weak signals in fields such as quantum technology and radio astronomy. However, designing an ideal amplifier is challenging, as it must cover a wide frequency range, add minimal noise, and operate directionally - amplifying signals only in the observer's direction while protecting the source from environmental interference. In this work, we demonstrate that an array of non-linearly coupled Josephson parametric amplifiers (JPAs) can collectively function as a directional, broadband quantum amplifier by harnessing topological effects. By applying a collective four-wave-mixing pump with inhomogeneous amplitudes and linearly increasing phase, we break time-reversal symmetry in the JPA array and stabilize a topological amplification regime where signals are exponentially amplified in one direction and exponentially suppressed in the opposite. We show that compact devices with few sites $N\sim 11-17$ can achieve exceptional performance, with gains exceeding 20 dB over a bandwidth ranging from hundreds of MHz to GHz, and reverse isolation suppressing backward noise by more than 30 dB across all frequencies. The device also operates near the quantum noise limit and provides topological protection against up to 15% fabrication disorder, effectively suppressing gain ripples. The amplifier's intrinsic directionality eliminates the need for external isolators, paving the way for fully on-chip, near-ideal superconducting pre-amplifiers.
- Abstract（参考訳）: 低ノイズマイクロ波増幅器は、量子技術や電波天文学などの分野で弱い信号を検出するために不可欠である。
しかしながら、理想的な増幅器の設計は、広い周波数範囲をカバーし、最小限のノイズを付加し、環境干渉からソースを保護しながら、観測者の方向のみに信号を増幅する方向で操作する必要があるため、困難である。
本研究では, 非線形結合型ジョセフソンパラメトリック増幅器(JPAs)の配列が, 位相効果を利用した指向性広帯域量子増幅器として一括して機能できることを実証する。
非均一振幅と線形増加位相の集合4波混合ポンプを適用することにより、JPAアレイの時間反転対称性を破り、信号が1方向に指数的に増幅され、逆方向に指数的に抑圧される位相増幅機構を安定化する。
N\sim 11-17$の少ないコンパクトデバイスは、数百MHzからGHzの帯域で20dB以上のゲインを達成でき、逆分離により全周波数にわたって30dB以上の後方ノイズを抑制できることを示す。
また、この装置は量子ノイズ限界付近で動作し、最大15%の加工障害に対する位相的保護を提供し、ゲインリップルを効果的に抑制する。
増幅器の固有の方向は外部のアイソレータの必要性を排除し、完全にオンチップ、ほぼ理想の超伝導プリアンプへの道を開く。
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