MQT编辑优选:3nm铝超薄膜超导共振器的巨大参数放大现象

07 9月 2023 gabriels
本篇研究来自台湾中兴大学郭华丞课题组。本研究以分子束磊晶成长3nm铝薄膜,并制作为超导共平面波导共振器。该材料所产生的动态电感能产生极大的Kerr系数,在7.2GHz共振频率下,达到每个光子产生3.6MHz的频率偏移。此非线性使我们能观察到微波的四波混频和参数放大,放大增益在穿透型共振器为12.2dB。我们预期改进共振器阻抗匹配结构后能应用于参数放大器。

文章介绍

Large parametric amplification in kinetic inductance dominant resonators based on 3 nm-thick epitaxial superconductorsWei-Chen Chien(简维成), Yu-Han Chang, Cheng Xin Lu, Yen-Yu Ting, Cen-Shawn Wu, Sheng-Di Lin and Watson Kuo(郭华丞)

通讯作者:

  • 郭华丞,台湾中兴大学

 

研究背景:

超导量子电路为目前主流的量子信息处理平台,它具有许多优点,如高度相干性、低能量耗散和线路可扩充性等,在科学研究和工程应用上都得到了广泛关注与具体成果。超导电路中的非线性是实现量子比特(qubit)相干操控和量子信息处理的关键效应。非线性一般通过超导接面的约瑟芬效应(Josephson effect)或电荷载流子在交变电场中的惯性质量,称为动态电感(Kinetic Inductance)来产生。由于目前主流的超导量子电路材料都是使用铝,在我们的工作中希望以高质量超薄铝膜制作共振器来产生巨量的动态电感,制程上与既有的超导量子电路能够整合,其巨大的电感和非线性可用于参数放大器、高电感值量子比特、或应用于量子讯号读取的共振器、环行器、滤波器等。

 

研究内容:

所研究的共平面波导共振器有两种类型:反射型(notch-type)共振器常用于量子比特的读取,可提供多路复用读出方案。穿透型(transmission-type)共振器适用于光子存储、信号混合和放大。超导铝薄膜使用分子束磊晶方式成长在蓝宝石基板,薄膜厚度为3nm,使用标准曝光、显影和湿蚀刻等制程方法。

测量发现当铝薄膜厚度降低至3nm时,共振器共振频率降低40%,表示动态电感可以达到几何电感的2.2倍。在加大输入微波讯号时共振频率降低,在7.2GHz的穿透式共振器中,其高度非线性可以达到每输入光子3.6MHz的频率偏移。
常见的微波参数放大器是基于四波混频(four-wave mixing),它是一种非线性光学效应,在介质中多个微波信号相互作用可产生新的光波,并遵从能量守恒和动量守恒。当条件符合时,能以一道高强度的波对另一道低强度的波产生功率放大。本研究使用四波混频方式来研究此非线性薄膜共振器的混波效果,在穿透式共振器中,对小功率讯号可以获得的增益为12.2dB。本研究显示3nm厚的分子束磊晶铝薄膜其超导温度约为1.6K,能应用于超导量子电路于7GHz之工作频率。其动态电感为几何电感的2倍以上,可大幅提升电感减少共振器长度。动态电感所具之非线性使共振器产生参数放大效应,具有动态电感侦测器、参数放大器等微波工程应用之潜力。


作者介绍

简维成  博士后研究员

台湾中兴大学

  • 台湾中兴大学物理系博士(2017)。现任中兴大学物理所博士后研究员。芬兰阿尔托大学低温实验室访问研究(2011-2012),升达科技(Universal Microwave Technology, Inc.) 微波工程师(2017-2020)。研究兴趣与专长为低温超导组件、高频微波组件设计与仿真、薄膜和二维材料的电学与微波特性研究,参数放大器和光子探测器应用等。

郭华丞  教授

台湾中兴大学

  • 台湾清华大学物理系博士(2002)。现任台湾中兴大学教授、中央研究院合聘研究员。经历中央研究院博士后研究员(2002-2004)、德国KIT访问学者(2016)。曾任中兴大学物理系系主任、半导体学程主任、中兴大学副研发长。研究兴趣与专长为超导组件、微波组件、奈米电子。目前参与可扩充超导量子计算机的硬件开发。

期刊介绍

Materials for Quantum Technology

  • Materials for Quantum Technology(MQT,量子技术材料)是一本全新的采用开放获取出版形式的多学科期刊,致力于出版量子技术和器件领域相关材料的开发和应用的前沿研究。期刊的内容范围将汇集学界与业界中来自材料科学、化学和工程的跨学科研究。具体领域包括:量子技术应用中材料和界面的制备与表征;混合量子系统材料;量子传感和计量材料;量子光学和光子学材料;量子比特系统的材料;用于量子计算和量子电子学的新型材料和设备;量子技术化学;量子技术应用新材料的理论和计算设计;量子材料的涌现特性及其应用。