射频放大器在量子计算机电路中的技术综述：Josephson 参量放大器的新型架构

Josephson 参量放大器（JPAs）因其以接近量子极限噪声性能放大弱量子信号的能力，成为量子信息处理中的关键组件。这对于实现量子比特读出、量子探测和通信等应用至关重要，因这些应用要求信号保真度和相干性保持。与常规射频系统中使用的 CMOS 和 HEMT 放大器不同，JPAs 专为 millikelvin（mK）低温环境优化。CMOS 放大器集成度好，但在超低温下噪声性能差。HEMT 放大器提供更好的噪声性能，但耗功量大，不适合 mK 操作。相比于这两种放大器，JPAs 兼具低功耗、超低噪声和卓越的低温兼容性，使其成为量子系统的理想选择。本研究前半部分比较了这些射频放大器类型，解释了为何在低温量子应用中偏好使用 JPAs。后半部分聚焦于基于单一 Josephson 二极管和二极管阵列的 JPA 的设计与分析。虽然单二极管 JPA 利用非线性电感进行放大，但存在增益压缩、动态范围有限和对制造偏差敏感等问题。为克服这些挑战，本工作探讨基于 Josephson 二极管阵列的 JPA 设计。阵列分布非线性响应，提升了功率处理能力、线性度、阻抗可调性和相干性，同时降低相位噪声。本工作提出、仿真并比较了多种先进的 JPA 架构，利用量子理论和 CAD 工具评估性能权衡与对常规设计的改进。