論文の概要: Superconducting Parametric Amplifiers: Resonator Design and Role in Qubit Readout

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.20097v1
• Date: Tue, 25 Nov 2025 09:15:15 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-26 17:37:04.376168
• Title: Superconducting Parametric Amplifiers: Resonator Design and Role in Qubit Readout
• Title（参考訳）: 超電導パラメトリック増幅器:共振器設計とビット読み出しにおける役割
• Authors: Babak Mohammadian,
• Abstract要約: 超伝導パラメトリック増幅器(SPAs)は、量子コンピューティングにおける超低雑音量子ビット読み出しにおいて重要な要素である。 古典的な増幅器とは異なり、SPAは量子制限性能を達成または近づかせることができる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Superconducting parametric amplifiers (SPAs) are critical components for ultralow-noise qubit readout in quantum computing, addressing the critical challenge of amplifying weak quantum signals without introducing noise that degrades coherence and computational fidelity. Unlike classical amplifiers, SPAs can achieve or closely approach quantum-limited performance, specifically the Standard Quantum Limit (SQL) of half a photon of added noise for phase-preserving amplification. The core principle of SPAs relies on parametric amplification, where energy is transferred from a strong pump tone to a weak input signal through non-dissipative nonlinear mixing processes. This is enabled by intrinsic nonlinearities in superconducting materials, primarily kinetic inductance in thin films (e.g., NbTiN, Al) and, more significantly, the Josephson effect in Josephson junctions. These nonlinear elements facilitate frequency mixing (three-wave or four-wave mixing) and can operate in phase-preserving or phase-sensitive amplification modes, with the latter allowing for noise squeezing below the SQL. This chapter emphasizes the significant role of resonator design in determining critical SPA performance metrics such as gain, bandwidth, and noise characteristics. It details both lumped-element (LC) and distributed-element (coplanar waveguide, CPW) resonators, discussing their unique properties, suitability for different frequency ranges, and the importance of achieving high-quality factors (Q) for efficient energy storage and minimal loss. A practical design and simulation of a meandered quarterwavelength CPW resonator coupled to a feed line is presented, illustrating how precise control over geometric parameters optimizes resonant frequency, coupling strength, and quality factor for high-fidelity qubit state discrimination.
• Abstract（参考訳）: 超伝導パラメトリック増幅器(SPAs)は、量子コンピューティングにおいて超低ノイズ量子ビットの読み出しにおいて重要な要素であり、コヒーレンスと計算忠実度を低下させるノイズを導入することなく弱い量子信号を増幅する重要な課題に対処する。 古典的な増幅器とは異なり、SPAは量子制限性能、特に位相保存増幅のために追加される雑音の半分の光子の標準量子限界(SQL)を達成または密接にアプローチすることができる。 SPAの中核原理はパラメトリック増幅(英語版)に依存し、エネルギーは非散逸性非線形混合過程を通じて強いポンプトーンから弱い入力信号に伝達される。 これは超伝導材料における固有の非線形性、主に薄膜(eg, NbTiN, Al)における運動的インダクタンス、さらにはジョセフソン接合におけるジョセフソン効果によって実現される。 これらの非線形要素は、周波数混合(3波または4波混合)を促進し、位相保存または位相感受性増幅モードで動作でき、後者はSQLの下のノイズスキューズを可能にする。 本章では、利得、帯域幅、雑音特性といった重要なSPA性能指標を決定する上で、共振器設計が重要な役割を担っていることを強調する。 ラム素子(LC)と分散素子(コプラナー導波管、CPW)共振器の両方について詳述し、それぞれの特性、周波数範囲に適合する可能性、エネルギー貯蔵の効率化と損失の最小化のために高品質な要因(Q)を達成することの重要性を論じている。 フィードラインに結合した4波長CPW共振器の設計とシミュレーションを行い, 共振周波数, 結合強度, および高忠実度量子ビット状態判別のための品質係数の最適化について検討した。

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