Study on a low-noise microwave amplifier based on frequency conversion gain of quasiparticle mixers

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02205
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: Kojima Takafumi 国立天文台, 先端技術センター, 准教授 (00617417)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鵜澤 佳徳 国立天文台, 先端技術センター, 教授 (00359093) ; 木内 等 国立天文台, アルマプロジェクト, 特任教授 (90358911)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 超伝導 / 低雑音増幅器 / マイクロ波 / 量子雑音限界 / SISミキサ / 冷却型増幅器

Outline of Final Research Achievements

This study focuses on a novel superconducting microwave amplifier based on superconductor-insulator-superconductor (SIS) mixers, which have been used for ultra-sensitive heterodyne receivers in the millimeter/submillimeter-wave band. This study aimed to develop a highly versatile low-noise microwave amplifier and to compare its usefulness with a conventional one such as an HEMT. Finally, we could demonstrate the low-noise performance of about 10 K below 5 GHz with low power consumption at a microwatt level. We also discovered non-reciprocities in amplitude and phase, and show promising results to open potential applications of this configuration based on two SIS mixers.

Free Research Field

超伝導高周波エレクトロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では低消費電力かつ低雑音で動作するマイクロ波増幅器を実証するとともに、巧みな位相制御により、増幅特性を単方向化することも可能であることを見出した。これにより、本回路構成に基づく増幅器が汎用的特性を有することを明らかすることができた。本成果に基づき、2023年3月記者発表を行い、新聞やWeb等の複数のメディアに取り上げられた。今後、半導体増幅器の置き換えを目指して、実践的な開発研究を加速することにより、アレイ化が必要とされる電波天文分野や、量子ビット数増加で同様の課題を有する超伝導量子コンピュータ分野への貢献も期待される。