In superconducting quantum computing, ultralow noise amplifiers play a central role in measuring the small number of photons carrying qubit state information. Preamplifiers in the electronic chain approach “quantum-limited” noise performance, as is the case of parametric amplifiers based on Josephson Junctions. These devices are co-located close to qubits and related circuitry at the lowest temperature stage (T=10-20 mK) of a dilution refrigerator cryostat, followed by a standard low-noise cryogenic HEMT amplifier at the T = 4–5 K stage, where their high dissipation is not an issue. Even more performing ultralow noise receiver electronics is required to readout 3D microwave resonators in dark matter search at haloscopes, detectors that probe the existence of axions in the galactic halo. In this case, exceedingly small powers, in the order of 10^{-23} 10^{-24} W at ~10 GHz frequency, need to be measured with great accuracy. The sensitivity of these experiments is strongly related to the overall noise temperature of the system, mainly determined by the noise introduced by the first stage of amplification. In addition, haloscopes are required to scan the most plausible axion-photon interaction parameter space in the largest interval of masses (frequencies), which translates to employing preamplifiers with ~GHz bandwidths. The Josephson traveling wave parametric amplifier (JTWPA) provides the specifications that are required in dark matter search, beyond becoming a common tool in many superconducting quantum information research efforts. This thesis focuses on the characterization of a JTWPA-based amplification chain, performed on QUAX's haloscope at INFN's National Laboratories of Legnaro.

Nel campo dell’informazione e del calcolo quantistico a qubit superconduttori, l’utilizzo di amplificatori a bassissimo rumore risulta di fondamentale importanza nella lettura dello stato dei qubit, che avviene attraverso la misura di segnali di debolissima intensità nello spettro delle microonde. Una tecnologia particolarmente adatta a questo scopo è quella degli amplificatori parametrici a giunzioni Josephson (JPAs). Questi dispositivi vengono solitamente collocati nelle vicinanze dei qubit nello stadio a temperatura più bassa (T = 10 - 20 mK) di un refrigeratore a diluizione e sono spesso seguiti da tradizionali amplificatori HEMT (high electron mobility transistor) criogenici collocati nello stadio a temperatura T = 4 - 5 K. Amplificatori ancora più prestazionali sono richiesti nell’ambito della ricerca della materia oscura mediante gli aloscopi, rivelatori che si occupano di sondare la possibile esistenza degli assioni. In questo caso, il sistema fisico posto in ingresso all’amplificatore è una cavità tridimensionale a microonde con frequenza di risonanza intorno ai 10 GHz e la potenza attesa per il segnale da rivelare è dell’ordine di 10^{-23} – 10^{-24} W. La sensibilità di questi esperimenti è fortemente legata alla temperatura di rumore dell’intero sistema, che a sua volta è determinata principalmente dal rumore introdotto nel primo stadio della catena amplificazione. Inoltre, poiché gli aloscopi sono progettati in modo da poter sondare lo spazio dei parametri dell’interazione assione-fotone su un ampio range di masse (frequenze), essi necessitano l’utilizzo di amplificatori con bande passanti dell’ordine di qualche GHz. L’amplificatore parametrico Josephson traveling-wave (JTWPA), dispositivo sempre più spesso impiegato nel campo dell’informazione e del calcolo quantistico, risponde a queste esigenze. L’obiettivo di questa tesi è la caratterizzazione della catena di amplificazione utilizzata per la lettura dell’aloscopio dell’esperimento QUAX, presente presso i Laboratori Nazionali di Legnaro e in cui è un JTWPA è impiegato come preamplificatore.

Measuring the performance of a reversed kerr traveling-wave parametric amplifier for quantum sensing in axion dark matter search

BORGHI, PIETRO
2021/2022

Abstract

In superconducting quantum computing, ultralow noise amplifiers play a central role in measuring the small number of photons carrying qubit state information. Preamplifiers in the electronic chain approach “quantum-limited” noise performance, as is the case of parametric amplifiers based on Josephson Junctions. These devices are co-located close to qubits and related circuitry at the lowest temperature stage (T=10-20 mK) of a dilution refrigerator cryostat, followed by a standard low-noise cryogenic HEMT amplifier at the T = 4–5 K stage, where their high dissipation is not an issue. Even more performing ultralow noise receiver electronics is required to readout 3D microwave resonators in dark matter search at haloscopes, detectors that probe the existence of axions in the galactic halo. In this case, exceedingly small powers, in the order of 10^{-23} 10^{-24} W at ~10 GHz frequency, need to be measured with great accuracy. The sensitivity of these experiments is strongly related to the overall noise temperature of the system, mainly determined by the noise introduced by the first stage of amplification. In addition, haloscopes are required to scan the most plausible axion-photon interaction parameter space in the largest interval of masses (frequencies), which translates to employing preamplifiers with ~GHz bandwidths. The Josephson traveling wave parametric amplifier (JTWPA) provides the specifications that are required in dark matter search, beyond becoming a common tool in many superconducting quantum information research efforts. This thesis focuses on the characterization of a JTWPA-based amplification chain, performed on QUAX's haloscope at INFN's National Laboratories of Legnaro.
2021
Measuring the performance of a reversed kerr traveling-wave parametric amplifier for quantum sensing in axion dark matter search
Nel campo dell’informazione e del calcolo quantistico a qubit superconduttori, l’utilizzo di amplificatori a bassissimo rumore risulta di fondamentale importanza nella lettura dello stato dei qubit, che avviene attraverso la misura di segnali di debolissima intensità nello spettro delle microonde. Una tecnologia particolarmente adatta a questo scopo è quella degli amplificatori parametrici a giunzioni Josephson (JPAs). Questi dispositivi vengono solitamente collocati nelle vicinanze dei qubit nello stadio a temperatura più bassa (T = 10 - 20 mK) di un refrigeratore a diluizione e sono spesso seguiti da tradizionali amplificatori HEMT (high electron mobility transistor) criogenici collocati nello stadio a temperatura T = 4 - 5 K. Amplificatori ancora più prestazionali sono richiesti nell’ambito della ricerca della materia oscura mediante gli aloscopi, rivelatori che si occupano di sondare la possibile esistenza degli assioni. In questo caso, il sistema fisico posto in ingresso all’amplificatore è una cavità tridimensionale a microonde con frequenza di risonanza intorno ai 10 GHz e la potenza attesa per il segnale da rivelare è dell’ordine di 10^{-23} – 10^{-24} W. La sensibilità di questi esperimenti è fortemente legata alla temperatura di rumore dell’intero sistema, che a sua volta è determinata principalmente dal rumore introdotto nel primo stadio della catena amplificazione. Inoltre, poiché gli aloscopi sono progettati in modo da poter sondare lo spazio dei parametri dell’interazione assione-fotone su un ampio range di masse (frequenze), essi necessitano l’utilizzo di amplificatori con bande passanti dell’ordine di qualche GHz. L’amplificatore parametrico Josephson traveling-wave (JTWPA), dispositivo sempre più spesso impiegato nel campo dell’informazione e del calcolo quantistico, risponde a queste esigenze. L’obiettivo di questa tesi è la caratterizzazione della catena di amplificazione utilizzata per la lettura dell’aloscopio dell’esperimento QUAX, presente presso i Laboratori Nazionali di Legnaro e in cui è un JTWPA è impiegato come preamplificatore.
Quantum sensing
TWPA
Dark matter
Axion
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