量子限界に迫る超低雑音・広帯域マイクロ波増幅器を開発~超伝導量子コンピュータの読み出し効率の大幅向上へ~

2025-10-30 理化学研究所

Web要約 の発言:
理化学研究所の中村泰信チームらは、量子限界に迫る超低雑音・広帯域マイクロ波増幅器「進行波型ジョセフソンパラメトリック増幅器(JTWPA)」を開発した。低損失なコプレーナ線路とスタブ型容量素子により12GHz帯で挿入損失1dB未満を達成し、さらに窓関数変調でゲインの乱れを抑制。結果として5GHzの広帯域で20~23dBの安定増幅と+0.18量子の低雑音を実現した。これにより、多数の量子ビットを同時かつ高精度に読み出すことが可能となり、超伝導量子コンピュータの測定効率を大幅に向上させる。成果は『Physical Review Applied』に掲載。

量子限界に迫る超低雑音・広帯域マイクロ波増幅器を開発~超伝導量子コンピュータの読み出し効率の大幅向上へ~
図1 新規進行波型ジョセフソンパラメトリック増幅器(JTWPA)の設計と性能の概要

<関連情報>

低固有損失集積素子コプラナ波導管を用いたジョセフソン進行波パラメトリック増幅器 Josephson traveling-wave parametric amplifier based on a low-intrinsic-loss lumped-element coplanar waveguide

C.W. Sandbo Chang, Arjan F. Van Loo, Chih-Chiao Hung, Yu Zhou, Christian Gnandt, Shuhei Tamate, and Yasunobu Nakamura
Physical Review Applied  Published: 27 October, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/qhl6-cz2z

Abstract

We present a Josephson traveling-wave parametric amplifier (JTWPA) based on a low-loss lumped-element coplanar waveguide architecture. By employing open-stub capacitors and Manhattan-pattern junctions, our device achieves an insertion loss below 1 dB up to 12 GHz. We introduce windowed sinusoidal modulation for phase matching, demonstrating that a smooth transition in the impedance-modulation strength effectively suppresses intrinsic gain ripples. Using Tukey-windowed modulation with 8% impedance variation, we achieve 20–23-dB gain over 5-GHz bandwidth under ideal matching conditions. In a more practical circuit having impedance mismatches, the device maintains 17–20-dB gain over 4.8-GHz bandwidth with an added noise of 0.18 quanta above standard quantum limit at 20-dB gain and −99-dBm saturation power, while featuring zero to negative backward gain below the band-gap frequency.

0403電子応用
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