پژوهشگران آمریکایی از طراحی جدید تقویت‌کننده‌ای با پهنای باند گسترده رونمایی کرده‌اند که به منظور آشکارسازی فوتون‌های مایکروویو منفرد بکار می‌رود.

آزمایشگاه برکلی، آمریکا

این تقویت‌کننده از روشی منتسب به «تطبیق فاز رزونانس» استفاده می‌کند که انتظار می‌رود بهره‌ی آن را به بیش از 10 دسی‌بل در مقایسه با سایر تقویت‌کننده‌های پارامتریک جوزفسون (JPA) موجود افزایش دهد. و نیز پیش‌بینی می‌شود که این دستگاه پهنای باندی حدود 3 گیگاهرتز داشته ‌باشد که این ویژگی‌ها سبب می‌شود تا در مدارهای کوانتومی و آشکارسازهای نجومی کاربرد داشته باشد.

بازخوانی و کنترل بیت‌های کوانتومی ابررسانا شامل آشکارسازی سیگنال‌های بسیار ضعیف مایکروویو نظیر یک فوتون است. این کار می‌تواند با استفاده از یک JPA انجام شود که یک یا چند پیوند جوزفسون را بهم متصل می‌کند. یک تقویت‌کننده پارامتریک با مدوله کردن یک پارامتر مداری نظیر ظرفیت خازنی یا اندوکتانس عمل می‌کند. در یک JPA پیوند جوزفسون مانند یک القاگر غیرخطی عمل می‌کند و هنگامی که توسط یک سیگنال مایکروویو پمپ می‌شود، نقش یک پارامتر مدوله‌شده را ایفا می‌کند.

بنا به گفته‌ی یکی از اعضای این گروه، این نتایج حائز اهمیت است چرا که JPA پیشرفته‌ترین تقویت‌کننده‌ی موجود برای اندازه‌گیری با نویز کم روی سیستم‌هایی نظیر کیوبیت‌های ابررسانا (superconducting qubits) است.

اما عیب این دستگاه‌ها  پهنای باند نسبتاً محدود آن‌هاست. و این به واسطه‌ی افزایش بهره‌ی JPA است که با کوپل کردن پیوند‌ جوزفسون با یک حفره رزنانس بهبود پیدا می‌کند. و این محدودیت‌های شدیدی بر روی بسامدهای مربوط به محدوه‌ی عملکرد این تقویت‌کننده‌ها قرار می‌دهد. در تقویت‌کننده‌های پارامتریک موج رونده (TWPA) از این مشکل اجتناب می‌شود چون در آن‌ها از حفره استفاده نمی‌شود. در عوض، تقویت در خط انتقال طولانی مایکروویو اتفاق می‌افتد. و البته این مشکل دیگری را پدید می‌آورد: بهره‌ی بالا تنها زمانی قابل حصول است که فرایندهای غیرخطی که در سیستم اتفاق می‌افتد، انطباق فاز داشته باشند.

آن‌ها توانسته‌اند با اضافه کردن المان‌های رزونانس بسیاری به خط انتقال، به هردو یعنی انطباق فاز و بهره‌ی نمایی طی یک پهنای باند گسترده دست پیدا کنند.

این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.

منبع: New amplifier design could improve quantum circuits