基于阻抗工程的宽带动力感应参数放大器

宽带量子极限参数放大器（PAs）是量子信息科学与技术中至关重要的组件。阻抗工程化的谐振器式 PAs 和 traveling-wave PAs 是突破增益带宽约束的主要方法。虽然前者制造更为简单，但其目标特性阻抗 $Z_\text{NR}$ 受限于低于 10 欧姆，需要较大电容。此外，这些 PAs 仅能使用基于铝的 Josephson 结（JJs）实现，限制了其在高温或强磁场下的工作条件。为此，我们提出一种三级阻抗转换方案，采用厚度为 20 nm、宽度为 250 nm 的高动力感应钱钛氮合物（NbTiN）薄膜。该方案使 $Z_\text{NR}$ 达到数十欧姆——比传统设计提升十倍，通过额外的 1/4 波长传输线（特性阻抗为 180 欧姆）实现。我们的动力感应阻抗工程化参数放大器（KIMPA），配备 330 fF shunt 电容，实现了在 8.4 GHz 中心频率附近、增益 17 dB、带宽 450 MHz 的相位保持放大，添加噪声在 0.5-1.3 量子之间。由于 NbTiN 纳米线的高临界电流，KIMPA 也实现了最高可达 -68±3 dBm 的饱和功率，这比基于 JJ 的 PAs 高出约 30 dB。这一方案也为其他三波混合构建模块开辟了新可能性。