低温&测控系统 - 低温信号放大器(约瑟夫森参量放大器JPA)

hdy · 发表于 2025-5-20 21:58

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区

您需要登录才可以下载或查看，没有账号？立即注册

×

读取量子比特的状态其实是间接通过观测连接量子比特的谐振腔的相位变化得到的，也称为色散读取。由于量子比特脆弱的性质，即使是间接施加在谐振腔的读取信号，也可能导致量子态塌缩，因此只好施加微弱的读取信号，这也对真实的信号读取带来挑战，于是各式各样的信号放大器展露头脚，今天我们介绍的是约瑟夫森参量放大器(JPA)，他理论上可以在量子极限的情况下放大信号。

JPA样品a. 封装好的JPA 样品，外壳采用金属封装，以屏蔽外部电磁干扰b. 提供微波信号的标准接口，信号端口（标记为 Signal）和泵浦端口（标记为 Pump）,中心区域为 JPA 芯片的位置c. 中心区域JPA 芯片放大图d. JPA的详细细节，可以发现这个结构设计跟常规的量子芯片并无很大差异（都是Pad+传输线+谐振腔+SQUID），需要注意的是除了输入信号Signal外还有一个Pump泵浦信号，微弱的信号借助泵浦信号的能量进行非线性放大e. 耦合电容（Capacitor）,耦合外部微波信号（从 Signal 端口进入）到芯片的内部共振器模式，我们需要知道信号输入和输出用的是同一个端口，耦合后的信号共同输出f. 可调磁通，从而控制SQUID 的非线性特性，从而实现对 JPA 增益、调谐频率等参数的控制

JPA整体部署，和信号路由图a. Cryoperm 磁屏蔽外壳b. 冷却棒上的 JPA 系统布线，Attenuators信号衰减器：控制室温噪声输入，Circulator：环形器：上文有讲JPA信号输入端口和输出端口是同一个，环形器用于分离输入输出信号；Coil：调整JPA中SQUID放大性质的磁场线圈c. 完整信号流程： c1: Input信号(从主芯片或者直接室温输入的信号) 输入JPA； c2: 泵浦信号为放大过程提供能量； c3: JPA 放大后的信号以反射形式返回，通过环形器分离出放大信号，传递至 HEMT (高电子迁移率晶体管)放大器进一步放大信号，外部进行读取。用户可以通过磁场线圈调整信号放大性质*JPA放制冷系统的那一层结合工程考虑，由于会增加接线的数量，同时泵浦输入的能量，这两者都有可能导致热负载的额外影响和减少有限的20mk空间，本论文放在4K区域，追求更极致的信号放大时，在能控制热负载和空间足够的情况下可考虑放到20mk的区域

JPA工作原理JPA的原理借助了三阶混频的方案，借助非线性效应使得输入信号的能量可以从泵浦信号中提取，从而实现增益(20-30db)。其中泵浦频率Wp为谐振腔W0的2倍，因为此时可以实现最大的增益和最低的噪声。市面上现有的JPA产品参数如下，带宽300MHz-1GHz,放大增益12dB-23d

国盾量子-JPA

腾讯量子-JPA（可能是JTWPA）
缺点与不足：1. JPA受限于谐振腔共振频率范围有限，放大的带宽仅有几十到小百M，在我们目前频率多路复用，需要区分多个谐振腔信号读取的场景有局限，大规模用不了2. 增益单峰（平坦性不足），我们看到仅在峰值处效果好，两侧的放大效果快速下降3. 动态范围有限，在输入信号强度超过一定范围时，JPA 的放大性能会出现失真或增益压缩
于是JTWPA横空出世～，对上述不足进行了弥补，后文再进行介绍

JTWPA