Стандарт напряжения научил DC-усилитель Джозефсона держать фазу

Постоянное смещение удобно для джозефсоновской фотоники: туннелирующие куперовские пары способны рождать микроволновые фотоны без отдельной мощной СВЧ-накачки. Но у такого источника долго оставалась неприятная черта: усиление есть, а жёсткой фазы, относительно которой можно усиливать одну квадратуру поля и давить другую, нет. В Institut Quantique нашли для этой фазы неожиданную опору — образцовый источник постоянного напряжения.

У перехода Джозефсона напряжение и частота связаны фундаментальным соотношением f = 2eV/h. Если удержать напряжение на квантованной ступени Шапиро, оказывается зафиксирована и частота джозефсоновской осцилляции. Авторы использовали Josephson voltage standard, JVS, с внешним драйвом 12 ГГц. На первой ступени он создавал 24 мкВ и сохранял квантованное напряжение в диапазоне мощности драйва от −65 до −40 dBm.

Вся архитектура собрана на чипе 5 × 5 мм². Рядом с JVS расположен усилитель неупругого туннелирования куперовских пар, ICTA: LC-резонатор около 6 ГГц, замкнутый на SQUID. Между ними лежит сверхпроводящий НЧ-фильтр. Он оставляет непрерывную DC-связь через сверхпроводящий конденсат и одновременно отсекает СВЧ-сигнал, чтобы фазовая опора не превратилась в банальную утечку 12-гигагерцового тона в усилитель.

Фаза проходит там, где СВЧ уже не проходит

Идея именно в этом разделении путей. JVS задаёт фазу своему сверхпроводящему order parameter, а ICTA получает её через общий сверхпроводящий путь. Фильтр обеспечивает около 65 dB изоляции на 12 ГГц, хотя идеальным барьером он не стал: в тракте виден паразитный резонанс около 10 ГГц. Авторы проверили важность этой детали повышением мощности JVS до −43 dBm: усиление стало модулироваться с периодом 500 МГц. В этом режиме остаточная RF-утечка уже заметно вмешивается в передачу фазы.

Усилитель увидел квадратуры сигнала

Без активного JVS ICTA давал до 13 dB усиления в полосе порядка 80 МГц при приведённом ко входу шуме около 1.5 фотона. После включения JVS усреднённое по десяти фазовым углам усиление достигло примерно 27 dB. Выигрыш в 14 dB получен вместе с очень дорогой платой за него: измеренная полоса сузилась до менее чем 5 МГц. Это конкретный режим одного криогенного устройства, а не универсальная прибавка для всех DC-усилителей Джозефсона.

Эталон встроили в ту же физику, которую он стабилизирует

Внутри диапазона фазового захвата усиление стало периодическим по фазе с периодом π и менялось на ±17 dB. Вне захвата сохранялось фазонезависимое усиление около 7 dB. В измерениях фазового пространства облако шума превратилось в эллипс: одна квадратура усиливалась, ортогональная подавлялась. Для почти вакуумного входа дисперсия сжатой квадратуры уменьшилась на (2.8 ± 0.6) %.

Скромная видимая величина squeezing не означает столь же слабого эффекта на самом чипе. Следующий HEMT-каскад добавлял шум, оценённый примерно в 15 фотонов относительно точки калибровки; по расчёту авторов, даже идеальное сжатие после такого каскада выглядело бы лишь как уменьшение дисперсии примерно на 3.33 %. Эксперимент убедительно показывает фазочувствительный режим, но измерительная цепь пока скрывает большую часть его квантовой контрастности.

Красота этой схемы не сводится к 27 dB. Вместо отдельного сверхчистого микроволнового гетеродина здесь взяли величину, которую система Джозефсона умеет фиксировать с квантовой точностью, и получили из неё нужную фазу. Напряжение, частота и фаза оказываются тремя проекциями одного процесса. Для криогенных RF-схем это подсказка о выборе архитектуры: если нужный параметр плохо удерживается напрямую, иногда стоит искать связанную с ним величину, для которой физика уже даёт более строгий эталон.