研究透视：Nature Nanotechnology-约瑟夫森参量放大器 | 石墨烯

在超导量子比特和放大器中，约瑟夫森结Josephson junction，JJ及其可调特性（包括非线性特性）发挥着重要作用。约瑟夫森结JJs与电路量子电动力学架构一起形成了量子信息处理的许多关键组件。在量子电路中，对微弱微波信号的低噪声放大是必不可少的，而约瑟夫森参量放大器Josephson parametric amplifiers，JPAs是应用最广泛的器件。现有约瑟夫森参量放大器JPA，基于在超导量子干涉器件几何结构中实现的Al–AlOx–Al隧道结，其中，磁通量是调节频率的关键参数。

最近，二维2D范德华van der Waals约瑟夫森结JJS的实验实现，提供了实现各种电路量子电动力学器件的机会，并呈现了使用栅极电势调节结性质和操作点的附加优点。虽然已经演示了可能的二维范德华van der Waals电路量子电动力学架构的其他组件，不过，尚未实现量子噪声限制放大器（一个基本组件）。

近日，印度 塔塔基础研究所(Tata Institute of Fundamental Research) Joydip Sarkar，R. Vijay，Mandar M. Deshmukh等，在Nature Nanotechnology上发文，基于石墨烯约瑟夫森结JJ来实现了量子噪声限制的约瑟夫森参量放大器JPA，其具有3.5GHz线性谐振门可调性。同时，实验了24dB放大，10MHz带宽和−130dBm饱和功率，性能与最佳单结约瑟夫森参量放大器JPAs相当。重要的是，这种门可调谐约瑟夫森参量放大器JPA，在量子限制噪声范围内工作，这使其成为高灵敏度信号处理的有潜力的选择。

该项研究，对新型测辐射热计量具有启示意义。石墨烯的低热容和约瑟夫森结JJ非线性，可以产生嵌入在量子噪声限制放大器中的极其灵敏的微波测辐射热计。总之，通过将传感器与量子放大器集成，该项工作，将开启探索二维范德华van der Waals材料的可扩展结构器件。

Quantum-noise-limited microwave amplification using a graphene Josephson junction.

基于石墨烯约瑟夫森结的量子噪声限制微波放大。

图1：参数放大方案及其实现在基于石墨烯约瑟夫森结Josephson junctions，JJ的电感电容inductor-capacitor，LC谐振器。

图2：开关电流（IC）和约瑟夫森结结电感（LJ）的栅极可调性。

图3：非线性相图（实验和模拟）。

图4：石墨烯约瑟夫森参量放大器graphene-Josephson parametric amplifers，Gr-JPA作为量子限制放大器。

文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-022-01223-z

DOI:
https://doi.org/10.1038/s41565-022-01223-z

本文译自Nature。

来源：今日新材料