論文の概要: Broadband Kinetic-Inductance Parametric Amplifiers with Impedance Engineering
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.17145v1
- Date: Wed, 23 Apr 2025 23:44:27 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-05-02 19:15:53.202923
- Title: Broadband Kinetic-Inductance Parametric Amplifiers with Impedance Engineering
- Title（参考訳）: インピーダンス工学を用いた広帯域動インダクタンスパラメトリック増幅器
- Authors: Chih-Chiao Hung, Hiroki Kutsuma, Chung Wai Sandbo Chang, Arjan Ferdinand van Loo, Yasunobu Nakamura,
- Abstract要約: インピーダンス駆動型共振器ベースPAと走行波PAは利得帯域幅制約を克服するための主要なアプローチである。
20nm,250nm幅の高速度誘導性ニオブ-チタニウム-窒化物膜(NbTiN)を用いた3段インピーダンス変換方式を提案する。
提案方式により,Z_textNRは従来の設計よりも10倍改良され,最大10倍に向上する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.845823845681907
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Broadband quantum-limited parametric amplifiers (PAs) are essential components in quantum information science and technology. Impedance-engineered resonator-based PAs and traveling-wave PAs are the primary approaches to overcome the gain-bandwidth constraint. While the former PAs are simpler to fabricate, the target characteristic impedance Z_\text{NR} of the nonlinear resonator has been restricted to be below 10 \Omega, requiring large capacitance. Moreover, these PAs have only been implemented with aluminum-based Josephson junctions (JJs), hindering their operation at high temperatures or strong magnetic fields. To address these issues, we propose a three-stage impedance-transformer scheme, showcased with a 20-nm-thick, 250-nm-wide high-kinetic-inductance niobium-titanium-nitride (NbTiN) film. Our scheme enables Z_\text{NR} up to several tens of ohms--a tenfold improvement over conventional designs, achieved through an additional quarter-wavelength transmission line with the characteristic impedance of 180 \Omega. Our kinetic-inductance impedance-engineered parametric amplifiers (KIMPA), featuring a 330-fF shunt capacitor, demonstrate a phase-preserving amplification with a 450-MHz bandwidth at 17-dB gain, and an added noise ranging from 0.5-1.3 quanta near the center frequency of 8.4 GHz. Due to the high critical current of the NbTiN nanowire, the KIMPA also achieves a saturation power of up to -68\pm3 dBm, approximately 30-dB higher than that of JJ-based PAs. This scheme also opens new possibilities for other three-wave-mixing building blocks.
- Abstract（参考訳）: 広帯域量子制限パラメトリック増幅器(PA)は、量子情報科学および技術において必須の要素である。
インピーダンス駆動型共振器ベースPAと走行波PAは利得帯域幅制約を克服するための主要なアプローチである。
従来のPAは簡単に製造できるが、非線形共振器のターゲット特性インピーダンスZ_\text{NR} は10 \Omega以下に制限されており、大きな容量を必要とする。
さらに、これらのPAはアルミニウムベースのジョセフソン接合(JJ)でのみ実装されており、高温や強磁場での動作を妨げる。
これらの問題に対処するために,20nm厚250nm幅の高速度誘導性ニオブ-チタニウム-窒化チタン膜(NbTiN)を用いた3段インピーダンス変換方式を提案する。
提案方式により,Z_\text{NR} を数十オームまで向上させることができる。これは従来の設計よりも10倍改良され,180>Omega の特性インピーダンスを持つ4/4波長伝送線路により実現される。
330-fFのシャントコンデンサを備えた我々の動特性インピーダンス駆動パラメトリック増幅器(KIMPA)は、450MHzの帯域幅を持つ位相保存増幅を17dBゲインで示し、8.4GHzの中心周波数付近の0.5-1.3quantaのノイズを付加した。
NbTiNナノワイヤの臨界電流が高いため、KIMPAはJJ系PAよりも約30dBの-68\pm3 dBmの飽和電力も達成している。
このスキームは、他の3波混合ビルディングブロックの新たな可能性も開放する。
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