論文の概要: High-gain and large-bandwidth Josephson parametric amplifier influenced by Fabry-Pérot interference

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.13881v1
• Date: Wed, 15 Apr 2026 13:42:49 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-04-16 20:38:32.565644
• Title: High-gain and large-bandwidth Josephson parametric amplifier influenced by Fabry-Pérot interference
• Title（参考訳）: Fabry-Pérot干渉による高利得及び大帯域ジョセフソンパラメトリック増幅器
• Authors: Shingo Kono, Jesper Ilves, Arjan F. van Loo, Yoshiki Sunada, C. W. Sandbo Chang, Yutaka Takeda, Kenshi Yuki, Takeaki Miyamura, Kohei Matsuura, Kazuki Koshino, Yasunobu Nakamura,
• Abstract要約: 本稿では,SQUIDアレイに基づくフラックス駆動型ラッピング素子ジョセフソンパラメトリック増幅器の理論モデルと設計手法を提案する。 我々の装置は、20dB(最大44dB)、および3dB帯域幅が$sim$50$lesssim$0.2MHzのほぼ量子制限型位相保存増幅を実現する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.914502882278455
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum-limited parametric amplifiers are essential components for many quantum technologies operating in the microwave domain. Achieving both high gain and broad bandwidth, however, remains challenging due to trade-offs between gain and bandwidth, pump efficiency, and dynamic range. Moreover, high-gain broadband amplifiers become increasingly sensitive to their external electromagnetic environment, which can distort their gain spectra and hinder reliable operation. Here, we present an accurate theoretical model and a systematic design methodology for a flux-driven, lumped-element Josephson parametric amplifier based on a SQUID array. Our device achieves near-quantum-limited, phase-preserving amplification with a net gain of 20 (maximally 44) dB and a 3-dB bandwidth of $\sim$50 ($\lesssim$0.2) MHz. We further show that the gain spectra exhibit pronounced sensitivity to weak reflections in the input-output waveguide caused by impedance mismatches in the microwave environment. By incorporating Fabry-Pérot-type interference into a quantum input-output model, we analytically reproduce these complex spectral features and identify how they depend on the physical parameters of the environment. More generally, our results provide a practical framework for separating the intrinsic dynamics of parametric amplifiers from environmental effects. This approach enables reliable characterization and optimization of amplifier performance while providing a systematic strategy for diagnosing microwave reflections and engineering environmental interference to shape amplifier gain spectra, thereby offering a pathway toward robust, reproducible, and truly quantum-limited microwave amplification.
• Abstract（参考訳）: 量子制限パラメトリック増幅器は、マイクロ波領域で動作する多くの量子技術にとって必須の成分である。 しかし、高利得と広帯域の両立は、利得と帯域幅のトレードオフ、ポンプ効率、ダイナミックレンジのトレードオフのため、依然として困難である。 さらに、高利得ブロードバンド増幅器は外部電磁環境に敏感になり、利得スペクトルを歪め、信頼性の高い動作を妨げる。 本稿では,SQUIDアレイをベースとしたフラックス駆動・ラム要素ジョセフソンパラメトリック増幅器の高精度な理論モデルと設計手法を提案する。 我々の装置は、20dB(最大44dB)、および3dB帯域幅$\sim$50$\lesssim$0.2MHzのほぼ量子制限型位相保存増幅を実現する。 さらに、マイクロ波環境におけるインピーダンスミスマッチによる入出力導波路の弱い反射に対する感度を示すゲインスペクトルを示す。 Fabry-Pérot型干渉を量子入力出力モデルに組み込むことで、これらの複雑なスペクトル特徴を解析的に再現し、それらが環境の物理的パラメータに依存するかを同定する。 より一般的に,本研究は,パラメトリック増幅器の固有動力学と環境効果を分離するための実践的な枠組みを提供する。 この手法により、マイクロ波反射の診断と工学的環境干渉の体系的戦略を提供し、増幅器ゲインスペクトルを形作ることにより、堅牢で再現性があり、真に量子制限されたマイクロ波増幅への経路を提供するとともに、増幅器性能の信頼性評価と最適化を可能にする。

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