Floquet 模行波参量放大器

对多个单光子级信号同时进行理想量子测量将推动量子信息处理、计量学和天文学中的应用，但这要求第一级放大器同时具备宽带、量子极限和定向性。然而，传统的行波参量放大器以增加的附加噪声为代价支持宽带放大，并且由于不可忽略的非线性反向波产生而不具有真正的定向性。在这项工作中，我们引入一类新的放大器，其将信息编码于系统的 Floquet 模中。此类 Floquet 模放大器防止信息泄漏并克服了量子效率（QE）与带宽之间的权衡。关键在于，Floquet 模放大器强烈抑制非线性前向-后向波耦合，因此具有真正的定向性且易于与量子比特集成，清除了通向宽带理想量子测量的另一主要障碍。此外，Floquet 模放大器对带外阻抗失配不敏感，而后者在常规行波参量放大器中可能导致增益波纹、参量振荡和不稳定性。最后，我们展示了一种 Floquet 模 Josephson 行波参量放大器实现能够在超过一个倍频程的带宽上同时实现 $>\!20\,$dB 增益和达到量子极限 $\eta/\eta_{\mathrm{ideal}}\!> 99.9\%$ 的 QE。所提出的 Floquet 方案也广泛适用于其他平台，例如动力学电感行波放大器和光学参量放大器。