JP2022513533A - ジョセフソン進行波パラメトリック増幅器 - Google Patents
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Abstract
Description
(本書において、φは、Φの小文字である場合がある。)
a:単位セルの物理長
G:単位セルのシャントコンダクタンス
V:電圧
C:単位セルのキャパシタンス
C0:入力における(即ち、x=0における)線路キャパシタンス
tanδ:Cの損失正接
ω:角周波数
L:単位セルのインダクタンス
x:物理座標
Z:特性インピーダンス
頭字語リスト
f1 アイドラ周波数
fP 発振器/ポンプ周波数
fS 信号周波数
Ic ジョセフソン接合の臨界電流
Ip ポンプ電流振幅
JTWPA ジョセフソン進行波パラメトリック増幅器
SQUID 超伝導量子干渉デバイス
TWPA 進行波パラメトリック増幅器
参照符号リスト
110 ジョセフソン素子
120 シャントコンデンサ(平行板コンデンサ)
130 磁束バイアス線
140 抵抗
150 コンタクトホール
101 配線層素子
301 超伝導部
302 トンネル接合
410~420 図4の方法の各フェーズ
引用リスト
[1]A.B.ゾリン(A. B. Zorin):「ジョセフソン進行波パラメトリック増幅器と3波混合(Josephson traveling-wave parametric amplifier with three-wave mixing)」、arXiv:1602.026550v3、2016年9月19日。
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〔付記1〕
少なくとも10個のジョセフソン素子をその中に含む導波路伝送線路であって、前記少なくとも10個のジョセフソン素子のそれぞれはループを含み、前記ループの一方の半分に第1のサイズのジョセフソン接合が厳密に1つあり、前記ループの第2の半分に第2のサイズのジョセフソン接合が少なくとも2つあり、前記第2のサイズは前記第1のサイズより大きい、前記導波路伝送線路と、
前記少なくとも1つのループのそれぞれを貫く磁束を発生させるように構成された磁束バイアス線と、
前記磁束バイアス線と結合される抵抗のセットと、
を含む進行波パラメトリック増幅器。
〔付記2〕
前記少なくとも10個のジョセフソン素子のそれぞれは、カー非線形性を示さないか、カー非線形性の、無視できるほどの寄与を示し、前記少なくとも10個のジョセフソン素子のそれぞれは3波混合を確かに示す、付記1に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記3〕
前記第1のサイズの前記接合のジョセフソンエネルギの、前記第2のサイズの前記接合のジョセフソンエネルギに対する比が、前記カー非線形性を部分的又は完全に無くすように設定される、付記1~2のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記4〕
前記ジョセフソンエネルギ間の前記比は、前記接合の面積で設定される、付記3に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記5〕
前記ジョセフソンエネルギ間の前記比は、前記接合の超伝導臨界電流密度で設定される、付記3に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記6〕
前記ループを貫く前記磁束が、前記カー非線形性を最小化する動作点に対応するように前記磁束バイアス線に電流を発生させることを可能にするように構成された、付記1~5のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記7〕
前記少なくとも1つのループのそれぞれを貫く前記磁束は磁束量子の0.40倍になり、前記少なくとも10個のジョセフソン素子のそれぞれは、前記ループの第2の半分に前記第2のサイズの接合を厳密に2つ含む、付記1~6のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記8〕
前記第1のサイズの接合のジョセフソンエネルギは、前記第2のサイズの接合のジョセフソンエネルギの0.27倍である、付記7に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記9〕
前記ジョセフソンエネルギ間の前記比、及び前記ループを貫く前記磁束は、前記動作が、前記小さいほうのジョセフソンエネルギのむらに対して一次的に鈍感であるように設定される、付記3~5のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記10〕
前記導波路伝送線路に含まれる前記ジョセフソン素子の数が15を超える、付記1~9のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記11〕
前記磁束バイアス線は、前記導波路伝送線路のシャントキャパシタンスを形成する平行板の上部電極又は下部電極を形成する、付記1~10のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記12〕
前記磁束バイアス線は、前記抵抗を通って前記導波路伝送線路の接地面に接続されており、前記抵抗の値は、前記進行波パラメトリック増幅器が増幅を行うように構成された周波数における前記シャントコンデンサのリアクティブインピーダンスより小さい、付記11に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記13〕
磁場勾配を発生させる為に前記磁束バイアス線に直流電流を印加するように構成された、付記11~12のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記14〕
前記ループの前記それぞれは、周囲からの均質な磁場に対して鈍感であるように、グラジオメトリックな形態で構成されている、付記13に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記15〕
前記導波路伝送線路は2つのジョセフソン素子のセットを複数個含み、前記各セットは、前記導波路伝送線路上に配列された前記シャントコンデンサによって互いに隔てられている、付記11~14のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記16〕
前記シャントキャパシタンスの値は、前記伝送線路に沿ってマイクロ波が減衰するのを補償する為に、前記伝送線路の長さ方向に一定ではない、付記11~15に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記17〕
前記臨界電流の値は、前記伝送線路に沿ってマイクロ波が減衰するのを補償する為に、前記伝送線路の長さ方向に一定ではない、付記11~15のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記18〕
前記シャントキャパシタンス値のむら又は前記臨界電流値のむらは、前記伝送線路に沿う、対応する電流分布が、ポンプマイクロ波信号に曝された場合に一定又はほぼ一定になるように、意図的に構成されている、付記16又は17に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記19〕
前記マイクロ波の減衰は、前記シャントキャパシタンスの誘電体損失によって実施される、付記16、17、又は18のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記20〕
前記マイクロ波の減衰は、前記導波路伝送線路の前記抵抗における損失によって実施される、付記16、17、18、又は19のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記21〕
前記抵抗値及び前記シャントキャパシタンス値は両方とも、前記伝送線路に沿う前記均質なマイクロ波電流分布に対して最適になるように設定される、付記12又は20のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記22〕
前記導波路伝送線路の少なくとも一方の端部にインピーダンスマッチングデバイスを更に含む、付記1~21のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記23〕
前記インピーダンスマッチングデバイスは、テーパ状伝送線路マッチング素子を含む、付記22に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記24〕
前記テーパ状伝送線路マッチング素子はクロプフェンシュタインテーパを含む、付記23に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記25〕
前記テーパ状伝送線路マッチング素子は指数関数的テーパを含む、付記23に記載の進行波パラメトリック増幅器。
〔付記26〕
進行波パラメトリック増幅器を製造する方法であって、
少なくとも10個のジョセフソン素子をその中に含む導波路伝送線路を用意するステップであって、前記少なくとも10個のジョセフソン素子のそれぞれはループを含み、前記ループの一方の半分に第1のサイズの接合が厳密に1つあり、前記ループの第2の半分に第2のサイズの接合が少なくとも2つあり、前記第2のサイズは前記第1のサイズより大きい、前記導波路伝送線路を用意する前記ステップと、
前記少なくとも1つのループのそれぞれを貫く磁場を発生させるように構成された磁束バイアス線を用意するステップと、
前記磁束バイアス線と結合される抵抗のセットを用意するステップと、
を含む方法。
Claims (26)
- 少なくとも10個のジョセフソン素子をその中に含む導波路伝送線路であって、前記少なくとも10個のジョセフソン素子のそれぞれはループを含み、前記ループの一方の半分に第1のサイズのジョセフソン接合が厳密に1つあり、前記ループの第2の半分に第2のサイズのジョセフソン接合が少なくとも2つあり、前記第2のサイズは前記第1のサイズより大きい、前記導波路伝送線路と、
前記少なくとも1つのループのそれぞれを貫く磁束を発生させるように構成された磁束バイアス線と、
前記磁束バイアス線と結合される抵抗のセットと、
を含む進行波パラメトリック増幅器。 - 前記少なくとも10個のジョセフソン素子のそれぞれは、カー非線形性を示さないか、カー非線形性の、無視できるほどの寄与を示し、前記少なくとも10個のジョセフソン素子のそれぞれは3波混合を確かに示す、請求項1に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記第1のサイズの前記接合のジョセフソンエネルギの、前記第2のサイズの前記接合のジョセフソンエネルギに対する比が、前記カー非線形性を部分的又は完全に無くすように設定される、請求項1~2のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記ジョセフソンエネルギ間の前記比は、前記接合の面積で設定される、請求項3に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記ジョセフソンエネルギ間の前記比は、前記接合の超伝導臨界電流密度で設定される、請求項3に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記ループを貫く前記磁束が、前記カー非線形性を最小化する動作点に対応するように前記磁束バイアス線に電流を発生させることを可能にするように構成された、請求項1~5のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記少なくとも1つのループのそれぞれを貫く前記磁束は磁束量子の0.40倍になり、前記少なくとも10個のジョセフソン素子のそれぞれは、前記ループの第2の半分に前記第2のサイズの接合を厳密に2つ含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記第1のサイズの接合のジョセフソンエネルギは、前記第2のサイズの接合のジョセフソンエネルギの0.27倍である、請求項7に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記ジョセフソンエネルギ間の前記比、及び前記ループを貫く前記磁束は、前記動作が、前記小さいほうのジョセフソンエネルギのむらに対して一次的に鈍感であるように設定される、請求項3~5のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記導波路伝送線路に含まれる前記ジョセフソン素子の数が15を超える、請求項1~9のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記磁束バイアス線は、前記導波路伝送線路のシャントキャパシタンスを形成する平行板の上部電極又は下部電極を形成する、請求項1~10のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記磁束バイアス線は、前記抵抗を通って前記導波路伝送線路の接地面に接続されており、前記抵抗の値は、前記進行波パラメトリック増幅器が増幅を行うように構成された周波数における前記シャントコンデンサのリアクティブインピーダンスより小さい、請求項11に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 磁場勾配を発生させる為に前記磁束バイアス線に直流電流を印加するように構成された、請求項11~12のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記ループの前記それぞれは、周囲からの均質な磁場に対して鈍感であるように、グラジオメトリックな形態で構成されている、請求項13に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記導波路伝送線路は2つのジョセフソン素子のセットを複数個含み、前記各セットは、前記導波路伝送線路上に配列された前記シャントコンデンサによって互いに隔てられている、請求項11~14のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記シャントキャパシタンスの値は、前記伝送線路に沿ってマイクロ波が減衰するのを補償する為に、前記伝送線路の長さ方向に一定ではない、請求項11~15に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記臨界電流の値は、前記伝送線路に沿ってマイクロ波が減衰するのを補償する為に、前記伝送線路の長さ方向に一定ではない、請求項11~15のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記シャントキャパシタンス値のむら又は前記臨界電流値のむらは、前記伝送線路に沿う、対応する電流分布が、ポンプマイクロ波信号に曝された場合に一定又はほぼ一定になるように、意図的に構成されている、請求項16又は17に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記マイクロ波の減衰は、前記シャントキャパシタンスの誘電体損失によって実施される、請求項16、17、又は18のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記マイクロ波の減衰は、前記導波路伝送線路の前記抵抗における損失によって実施される、請求項16、17、18、又は19のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記抵抗値及び前記シャントキャパシタンス値は両方とも、前記伝送線路に沿う前記均質なマイクロ波電流分布に対して最適になるように設定される、請求項12又は20のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記導波路伝送線路の少なくとも一方の端部にインピーダンスマッチングデバイスを更に含む、請求項1~21のいずれか一項に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記インピーダンスマッチングデバイスは、テーパ状伝送線路マッチング素子を含む、請求項22に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記テーパ状伝送線路マッチング素子はクロプフェンシュタインテーパを含む、請求項23に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 前記テーパ状伝送線路マッチング素子は指数関数的テーパを含む、請求項23に記載の進行波パラメトリック増幅器。
- 進行波パラメトリック増幅器を製造する方法であって、
少なくとも10個のジョセフソン素子をその中に含む導波路伝送線路を用意するステップであって、前記少なくとも10個のジョセフソン素子のそれぞれはループを含み、前記ループの一方の半分に第1のサイズの接合が厳密に1つあり、前記ループの第2の半分に第2のサイズの接合が少なくとも2つあり、前記第2のサイズは前記第1のサイズより大きい、前記導波路伝送線路を用意する前記ステップと、
前記少なくとも1つのループのそれぞれを貫く磁場を発生させるように構成された磁束バイアス線を用意するステップと、
前記磁束バイアス線と結合される抵抗のセットを用意するステップと、
を含む方法。
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