Josephson parametric amplifiers are an important part of a modern superconducting quantum computing platform and squeezed quantum states generation devices. Traveling wave and impedance-matched parametric amplifiers provide broad bandwidth for high-fidelity single-shot readout of multiple qubit superconducting circuits. Here, we present a quantum-limited 3-wave-mixing parametric amplifier based on superconducting nonlinear asymmetric inductive elements (SNAILs), whose useful bandwidth is enhanced with an on-chip two-section impedance-matching circuit based on microstrip transmission lines. The amplifier dynamic range is increased using an array of 67 SNAILs with 268 Josephson junctions, forming a nonlinear quarter-wave resonator. Operating in a current-pumped mode, we experimentally demonstrate an average gain of 17 dB across 300 MHz bandwidth, along with an average saturation power of –100 dBm, which can go as high as −97 dBm with quantum-limited noise performance. Moreover, the amplifier can be fabricated using a simple technology with just one e-beam lithography step.
References
1.
2.
S. J.
Asztalos
, G.
Carosi
, C.
Hagmann
, D.
Kinion
, K.
van Bibber
, M.
Hotz
, L. J.
Rosenberg
, G.
Rybka
, J.
Hoskins
, J.
Hwang
, P.
Sikivie
, D. B.
Tanner
, R.
Bradley
, and J.
Clarke
, Phys. Rev. Lett.
104
, 041301
(2010
).3.
A.
Wallraff
, D. I.
Schuster
, A.
Blais
, L.
Frunzio
, J.
Majer
, M. H.
Devoret
, S. M.
Girvin
, and R. J.
Schoelkopf
, Phys. Rev. Lett.
95
(6
), 060501
(2005
).4.
G. P.
Fedorov
, S. V.
Remizov
, D. S.
Shapiro
, W. V.
Pogosov
, E.
Egorova
, I.
Tsitsilin
, M.
Andronik
, A. A.
Dobronosova
, I. A.
Rodioinov
, O. V.
Astafiev
, and A. V.
Ustinov
, Phys. Rev. Lett.
126
, 180503
(2021
).5.
P.
Kumar
, O.
Aytür
, and J.
Huang
, Phys. Rev. Lett.
64
, 1015
(1990
).6.
E. I.
Rosenthal
, C. M.
Schneider
, M.
Malnou
, Z.
Zhao
, F.
Leditzky
, B. J.
Chapman
, W.
Wustmann
, X.
Ma
, D. A.
Palken
, M. F.
Zanner
, L. R.
Vale
, G. C.
Hilton
, J.
Gao
, G.
Smith
, G.
Kirchmair
, and K. W.
Lehnert
, Phys. Rev. Lett.
126
, 090503
(2021
).7.
Ç.
Kutlu
, A. F.
van Loo
, S. V.
Uchaikin
, A. N.
Matlashov
, D.
Lee
, S.
Oh
, J.
Kim
, W.
Chung
, Y.
Nakamura
, and Y. K.
Semertzidis
, Supercond. Sci. Technol.
34
, 085013
(2021
).8.
Z. R.
Lin
, K.
Inomata
, W. D.
Oliver
, K.
Koshino
, Y.
Nakamura
, J. S.
Tsai
, and T.
Yamamoto
, Appl. Phys. Lett.
103
, 132602
(2013
).9.
B.
Abdo
, F.
Schackert
, M.
Hatridge
, C.
Rigetti
, and M.
Devoret
, Appl. Phys. Lett.
99
, 162506
(2011
).10.
I. S.
Besedin
, M. A.
Gorlach
, N. N.
Abramov
, I.
Tsitsilin
, IN.
Moskalenko
, A. A.
Dobronosova
, D. O.
Moskalev
, A. R.
Matanin
, N. S.
Smirnov
, I. A.
Rodionov
, A. N.
Poddubny
, and A. V.
Ustinov
, Phys. Rev. B
103
, 224520
(2021
).11.
IN.
Moskalenko
, I. A.
Simakov
, N. N.
Abramov
, A. A.
Grigorev
, D. O.
Moskalev
, A. A.
Pishchimova
, N. S.
Smirnov
, E. V.
Zikiy
, I. A.
Rodionov
, and I. S.
Besedin
, npj Quantum Inf.
8
, 130
(2022
).12.
T.
Walter
, P.
Kurpiers
, S.
Gasparinetti
, P.
Magnard
, A.
Potočnik
, Y.
Salathé
, M.
Pechal
, M.
Mondal
, M.
Oppliger
, C.
Eichler
, and A.
Wallraff
, Phys. Rev. Appl.
7
, 054020
(2017
).13.
R.
Vijay
, C.
Macklin
, D. H.
Slichter
, S. J.
Weber
, K. W.
Murch
, R.
Naik
, A. N.
Korotkov
, and I.
Siddiqi
, Nature
490
, 77
–80
(2012
).14.
D.
Riste
, M.
Dukalski
, C. A.
Watson
, G.
de Lange
, M. J.
Tiggelman
, Y. M.
Blanter
, K. W.
Lehnert
, R. N.
Schouten
, and L.
DiCarlo
, Nature
502
, 350
–354
(2013
).15.
H. A.
Bachor
and T. C.
Ralph
, A Guide to Experiments in Quantum Optics
, 3rd ed. (John Wiley and Sons
, 2019
).16.
M. A.
Castellanos-Beltran
, K. D.
Irwin
, G. C.
Hilton
, L. R.
Vale
, and K. W.
Lehnert
, Nat. Phys.
4
, 929
–931
(2008
).17.
M.
Malnou
, D. A.
Palken
, L. R.
Vale
, G. C.
Hilton
, and K. W.
Lehnert
, Phys. Rev. Appl.
9
, 044023
(2018
).18.
C.
Macklin
, K.
O'brien
, D.
Hover
, M. E.
Schwartz
, V.
Bolkhovsky
, X.
Zhang
, W. D.
Oliver
, and I.
Siddiqi
, Science
350
(6258
), 307
–310
(2015
).19.
T. C.
White
, J. Y.
Mutus
, I. C.
Hoi
, R.
Barends
, B.
Campbell
, Y.
Chen
, Z.
Chen
, B.
Chiaro
, A.
Dunsworth
, E.
Jeffrey
, J.
Kelly
, A.
Megrant
, C.
Neill
, P. J. J.
O'Malley
, P.
Roushan
, D.
Sank
, A.
Vainsencher
, J.
Wenner
, S.
Chaudhuri
, J.
Gao
, and J. M.
Martinis
, Appl. Phys. Lett.
106
, 242601
(2015
).20.
S.
Kundu
, N.
Gheeraert
, S.
Hazra
, T.
Roy
, K. V.
Salunkhe
, M. P.
Patankar
, and R.
Vijay
, Appl. Phys. Lett.
114
, 172601
(2019
).21.
J. Y.
Mutus
, T. C.
White
, R.
Barends
, Y.
Chen
, Z.
Chen
, B.
Chiaro
, A.
Dunsworth
, E.
Jeffrey
, J.
Kelly
, A.
Megrant
, C.
Neill
, P. J. J.
O'Malley
, P.
Roushan
, D.
Sank
, A.
Vainsencher
, J.
Wenner
, K. M.
Sundqvist
, A. N.
Cleland
, and J. M.
Martinis
, Appl. Phys. Lett.
104
, 263513
(2014
).22.
R.
Yang
and H.
Deng
, IEEE Trans. Appl. Supercond.
30
(6
), 1100306
(2020
).23.
T.
Roy
, S.
Kundu
, M.
Chand
, A. M.
Vadiraj
, A.
Ranadive
, N.
Nehra
, M. P.
Patankar
, J.
Aumentado
, A. A.
Clerk
, and R.
Vijay
, Appl. Phys. Lett.
107
, 262601
(2015
).24.
J.
Grebel
, A.
Bienfait
, É.
Dumur
, H. S.
Chang
, M. H.
Chou
, C. R.
Conner
, G. A.
Peairs
, R. G.
Povey
, Y. P.
Zhong
, and A. N.
Cleland
, Appl. Phys. Lett.
118
, 142601
(2021
).25.
P.
Duan
, Z.
Jia
, C.
Zhang
, L.
Du
, H.
Tao
, X.
Yang
, L.
Guo
, Y.
Chen
, H.
Zhang
, and Z.
Peng
, Appl. Phys. Express
14
, 042011
(2021
).26.
S.
Wu
, D.
Zhang
, R.
Wang
, Y.
Liu
, S. P.
Wang
, Q.
Liu
, J. S.
Tsai
, and T.
Li
, Chin. Phys. B
31
, 010306
(2022
).27.
M.
Esposito
, A.
Ranadive
, L.
Planat
, and N.
Roch
, Appl. Phys. Lett.
119
, 120501
(2021
).28.
M.
Esposito
, A.
Ranadive
, L.
Planat
, S.
Leger
, D.
Fraudet
, V.
Jouanny
, O.
Buisson
, W.
Guichard
, C.
Naud
, J.
Aumentado
, F.
Lecocq
, and N.
Roch
, Phys. Rev. Lett.
128
, 153603
(2022
).29.
30.
L.
Planat
, “Resonant and traveling-wave parametric amplification near the quantum limit
,” Doctoral dissertation (University Grenoble Alpes
, 2020
).31.
A.
Ranadive
, M.
Esposito
, L.
Planat
, E.
Bonet
, C.
Naud
, O.
Buisson
, W.
Guichard
, and N.
Roch
, Nat. Commun.
13
, 1737
(2022
).32.
N. E.
Frattinia
, U.
Vool
, S.
Shankar
, A.
Narla
, K. M.
Sliwa
, and M. H.
Devoret
, Appl. Phys. Lett.
110
(22
), 222603
(2017
).33.
N. E.
Frattini
, V. V.
Sivak
, A.
Lingenfelter
, S.
Shankar
, and M. H.
Devoret
, Phys. Rev. Appl.
10
, 054020
(2018
).34.
V. V.
Sivak
, N. E.
Frattini
, V. R.
Joshi
, A.
Lingenfelter
, S.
Shankar
, and M. H.
Devoret
, Phys. Rev. Appl.
11
, 054060
(2019
).35.
V. V.
Sivak
, S.
Shankar
, G.
Liu
, J.
Aumentado
, and M. H.
Devoret
, Phys. Rev. Appl.
13
, 024014
(2020
).36.
W. J.
Getsinger
, IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
11
, 486
–497
(1963
).37.
O.
Naaman
and J.
Aumentado
, PRX Quantum
3
, 020201
(2022
).38.
A. R.
Matanin
, K. I.
Gerasimov
, E. S.
Moiseev
, N. S.
Smirnov
, A. I.
Ivanov
, E. I.
Malevannaya
, V. I.
Polozov
, E. V.
Zikiy
, A. A.
Samoilov
, I. A.
Rodionov
, and S. A.
Moiseev
, arXiv:2207.14092 (2022
).© 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.
