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研究生: 鍾良
Chung, Liang
論文名稱: 以鈮基底的約瑟夫森參量放大器研發
Developing Nb-based Josephson Parametric Amplifier
指導教授: 陳正中
Chen, Jeng-Chung
口試委員: 王明杰
Wang, Ming-Jye
李昭德
Li, Chao-Te
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2024
畢業學年度: 112
語文別: 中文
論文頁數: 116
中文關鍵詞: 約瑟夫森結超導體參數放大器
外文關鍵詞: Josephson junction, superconductor, parametric amplifier
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  • 量子參數放大器(Quantum Parametric Amplifier)是一種低雜訊放大器,能有效提升微弱信號的信噪比,從而在測量中提供更佳的性能。本研究採用了約瑟夫森參量放大器的結構設計:將指叉電容耦合至四分之一波長共振腔傳輸線的末端,並接上超導量子干涉元件,最終接地。我們通過設計變化傳輸線的阻抗值來增加約瑟夫森參量放大器的頻寬。
    與其他超導參數放大器的研究不同,我們使用石英作為基板,並採用超導溫度較高的鈮製程進行製造。這項製程由我們與中研院天文所的王明杰博士合作完成。超導量子干涉元件能夠通過外加磁通量的週期性變化來調整共振頻率,我們將其設定為本實驗室量子位元讀取的中心頻率。此外,我們製造了一系列測試元件,針對電容和共振器進行優化,以找出最佳參數配置。
    在本研究中,我們還自行開發了Matlab程式,用於模擬約瑟夫森參量放大器,並研究了臨界電流、阻抗值、非線性電感和電容值對增益與頻寬的影響。本文將介紹該元件的工作原理、光罩設計以及模擬計算結果。


    Quantum parametric amplifiers (QPAs) are low-noise amplifiers that effectively enhance weak signals, providing improved signal-to-noise ratios in measurements. In this study, we adopted a Josephson parametric amplifier design: the interdigital capacitor is coupled to the end of a quarter-wavelength resonator transmission line and connected to a superconducting quantum interference device (SQUID), which is then grounded. We increased the bandwidth of the Josephson parametric amplifier by varying the impedance of the transmission line.
    Unlike other studies on superconducting parametric amplifiers, we used quartz as the substrate and employed a high-temperature superconducting niobium process for fabrication. This process was completed in collaboration with Dr. Ming-Jye Wang from the Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics Superconducting Device Laboratory (ASIAA SDL). The SQUID can adjust its resonance frequency through periodic changes in externally applied magnetic flux, and we have set it to the center frequency for qubit readout in our laboratory. Additionally, we fabricated a series of test components for capacitors and resonators to find the optimal parameter configuration.
    In this research, we also developed a custom Matlab program to simulate the Josephson parametric amplifier, investigating the effects of variations in critical current, impedance, nonlinear inductance, and capacitance on gain and bandwidth. This paper introduces the operating principles of the device, mask design, and simulation results.

    四、目錄 一、 摘要 I 二、 Abstract II 三、 致謝 IV 四、 目錄 VI 五、 圖目錄 X 六、 表目錄 XIII 一、 引言 1 1.1 研究動機 1 1.2 參量放大器發展歷史回顧 2 1.3 低雜訊放大器 3 1.3.1 放大器添加的雜訊和系統雜訊 4 1.3.2 多級放大器計算 7 二、 參量放大器原理 9 2.1 超導體的起源 9 2.2 超導金屬 10 2.3 約瑟夫森結 12 2.3.1 約瑟夫森結非線性電感 15 2.4 古典參量放大器 16 2.5 電路量子化 23 2.5.1 古典共振系統電路 24 2.5.2 量化共振系統電路 26 2.6 約瑟夫森參量放大器類別 28 2.7 量子參量放大器規格 34 2.8 約瑟夫森參量放大器運作原理 35 2.8.1 磁通驅動約瑟夫森參量放大器 36 2.8.2 阻抗匹配參量放大器 39 三、 量子放大器理論模擬 43 3.1 文獻回顧 43 3.2 從古典RLC電路中取得磁化率矩陣 48 3.3 程式模擬 52 3.3.1 JPA模擬 54 3.3.2 電容值、阻抗值的頻寬變化 58 四、 約瑟夫森參量放大器設計值 63 4.1 傳輸線 63 4.1.1 約瑟夫森參量放大器的共面波導設計值 65 4.2 阻抗匹配共振器 67 4.2.1 約瑟夫森參量放大器的共振器頻率設計值 68 4.3 約瑟夫森結 69 4.4 耦合電容 72 4.4.1 電容值設計與模擬 74 4.4.2 指叉式電容 75 4.4.3 間隙式電容 78 五、 結論 80 六、 參考資料 82 附錄A.光罩繪製與製作 83 A.1 光罩 83 A.2 光罩格式 83 A.3 測試元件 85 A.4 約瑟夫森參量放大器JPA 89 A.5 Two Color 約瑟夫森參量放大器JPA 94 A.6 光罩審圖 96 附錄B.共振器傳輸線.基板設計 107 B.1 基板與超導金屬參數計算 107 附錄C. 程式碼 111 C.1約瑟夫森阻抗匹配放大器 111 C.2磁驅動約瑟夫森放大器 114

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