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Development and application of traveling wave Josephson parametric amplifiers based on three-wave mixing

Research Project

Project/Area Number 18J00874
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Optical engineering, Photon science
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research
Research Fellow 浦出 芳郎  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 特別研究員(PD) (60804234)
Project Period (FY) 2018-04-25 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywordsパラメトリック増幅器 / ジョセフソン接合 / 標準量子限界 / 超伝導量子エレクトロニクス / 量子コンピュータ / マイクロ波
Outline of Annual Research Achievements

(1) 増幅器の省電力化および量子ビット読み出しへの応用
当初目標とした進行波型増幅器は数千個のジョセフソン接合等を必要として試料作製の難易度が高いため、同じく広帯域な増幅器として、インピーダンス整合型とよばれる少数の接合で実装できる増幅器の開発を進めてきた。
本年度は増幅器の省電力化を行った。以前のデバイスは超伝導量子ビットの読み出しに十分な増幅特性を示したが、必要なポンプ電力が大きい(低温下で約-40 dBm)という課題があった。過大なポンプ電力は冷凍機の温度を上昇させ、量子ビットの特性に悪影響を与えうる。この問題を解決するために次の改善を行った:(i)増幅器を構成するSQUIDループにメアンダ構造のインダクタンスを加えることで、ポンプ伝送線路との相互インダクタンスを増大した。(ii)ポンプ波の伝送線路をポンプ周波数の共振器とすることでポンプ効率を高めた。これらの改善により、以前と同等の性能を保ちつつ、必要なポンプ電力を1/100以下に低減した。また、受け入れ先で進行中の超伝導量子ビット集積化プロジェクトにこうした増幅器を提供し、量子ビット読み出しの効率を大きく改善した。これにより、複数量子ビットを周波数多重化した上での高速な単一試行読み出しが可能となった。

(2) 増幅器の雑音評価
増幅器の雑音特性を評価し、量子限界に迫る低雑音特性を示しているかの検証を行った。そのためには、評価したい増幅器以外の測定系が付加する雑音を知る必要がある。金ナノワイヤのショット雑音を測定し、その物理モデルと比較することで系の付加する雑音と総利得を評価した。この情報と、増幅器による信号対雑音比の改善の結果から、この増幅器が付加する雑音を絶対的に定めることができる。開発した増幅器の付加雑音は光子数換算で0.8光子ほどであり、標準量子限界(0.5光子)に迫る低雑音で増幅していることが分かった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(16 results)

All 2021 2020 2019 2018 Other

All Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 2 results) Remarks (4 results)

  • [Presentation] Flux-driven impedance-matched Josephson parametric amplifier with improved pump efficiency2021

    • Author(s)
      Yoshiro Urade, Kun Zuo, Syotaro Baba, C. W. Sandbo Chang, Koh-ichi Nittoh, Kunihiro Inomata, Zhirong Lin, Tsuyoshi Yamamoto, and Yasunobu Nakamura
    • Organizer
      APS March Meeting 2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Reducing fabrication complexity of Josephson traveling-wave parametric amplifiers2021

    • Author(s)
      C. W. Sandbo Chang, Shuhei Tamate, Yoshiro Urade, Jimmy Shih-Chun Hung, and Yasunobu Nakamura
    • Organizer
      APS March Meeting 2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Inductively shunted transmon qubit for ZZ interaction cancellation2021

    • Author(s)
      Kun Zuo, Yoshiro Urade, Zhiguang Yan, Shuhei Tamate, Yutaka Tabuchi, Hirotaka Terai, and Yasunobu Nakamura
    • Organizer
      APS March Meeting 2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] インピーダンス整合型広帯域ジョセフソンパラメトリック増幅器のポンプ電力効率化2021

    • Author(s)
      浦出 芳郎, Kun Zuo, 馬場 正太郎, C. W. Sandbo Chang, 日塔 光一, 猪股 邦宏, Zhirong Lin, 山本 剛, 中村 泰信
    • Organizer
      電子情報通信学会 超伝導エレクトロニクス研究会(SCE)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Impedance-matched Josephson parametric amplifier using open stubs as shunt capacitance2020

    • Author(s)
      Yoshiro Urade, Kun Zuo, Kunihiro Inomata, Zhirong Lin, Tsuyoshi Yamamoto, and Yasunobu Nakamura
    • Organizer
      APS March Meeting 2020
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Broadband Josephson parametric amplifier for multiplexed readout of superconducting qubits2019

    • Author(s)
      Yoshiro Urade, Kun Zuo, Kunihiro Inomata, Zhirong Lin, Tsuyoshi Yamamoto, and Yasunobu Nakamura
    • Organizer
      Topical Conference on Quantum Computing 2019 (TCQC2019)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] インピーダンス整合に基づく広帯域磁束駆動型ジョセフソンパラメトリック増幅器の開発2019

    • Author(s)
      浦出 芳郎, Kun Zuo, 猪股 邦宏, Zhirong Lin, 山本 剛, 中村 泰信
    • Organizer
      理研-産総研 第5回 量子技術イノベーションコアWorkshop
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 超伝導量子ビットの読み出し多重化に向けた広帯域ジョセフソンパラメトリック増幅器2019

    • Author(s)
      浦出 芳郎
    • Organizer
      超伝導エレクトロニクス研究会(SCE)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Broadband Josephson Parametric Amplifiers2019

    • Author(s)
      Yoshiro Urade
    • Organizer
      Invited seminar at Center for Axion and Precision Physics Research, Institute for Basic Science (IBS)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Development of broadband flux-driven Josephson parametric amplifiers based on external impedance engineering2019

    • Author(s)
      Yoshiro Urade, Kun Zuo, Kunihiro Inomata, Tsuyoshi Yamamoto, and Yasunobu Nakamura
    • Organizer
      20th Anniversary of Superconducting Qubits (SQ20th)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 環境インピーダンス制御による広帯域ジョセフソンパラメトリック増幅器の開発2018

    • Author(s)
      浦出芳郎
    • Organizer
      ImPACT未来開拓研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Checkerboard symmetry in metallic metasurfaces2018

    • Author(s)
      Yoshiro Urade, Yosuke Nakata, Toshihiro Nakanishi, and Masao Kitano
    • Organizer
      The 8th CEMS Topical Research Camp on 'Symmetry and Topology'
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Remarks] APS March Meeting 2021, A28.10

    • URL

      http://meetings.aps.org/Meeting/MAR21/Session/A28.10

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] APS March Meeting 2021, V30.8

    • URL

      http://meetings.aps.org/Meeting/MAR21/Session/V30.8

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] APS March Meeting 2021, X31.10

    • URL

      http://meetings.aps.org/Meeting/MAR21/Session/X31.10

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] APS March Meeting 2020の発表資料

    • URL

      https://absuploads.aps.org/presentation.cfm?pid=16984

    • Related Report
      2019 Annual Research Report

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Published: 2018-05-01   Modified: 2021-12-27  

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