Papers
Topics
Authors
Recent
Assistant
AI Research Assistant
Well-researched responses based on relevant abstracts and paper content.
Custom Instructions Pro
Preferences or requirements that you'd like Emergent Mind to consider when generating responses.
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash 165 tok/s
Gemini 2.5 Pro 47 tok/s Pro
GPT-5 Medium 28 tok/s Pro
GPT-5 High 24 tok/s Pro
GPT-4o 112 tok/s Pro
Kimi K2 208 tok/s Pro
GPT OSS 120B 466 tok/s Pro
Claude Sonnet 4.5 36 tok/s Pro
2000 character limit reached

Low-noise cryogenic microwave amplifier characterization with a calibrated noise source (2312.14900v1)

Published 22 Dec 2023 in quant-ph

Abstract: Parametric amplifiers have become a workhorse in superconducting quantum computing, however research and development of these devices has been hampered by inconsistent, and sometimes misleading noise performance characterization methodologies. The concepts behind noise characterization are deceptively simple, and there are many places where one can make mistakes, either in measurement or interpretation and analysis. In this article we cover the basics of noise performance characterization, and the special problems it presents in parametric amplifiers with limited power handling capability. We illustrate the issues with three specific examples: a high-electron mobility transistor amplifier, a Josephson traveling-wave parametric amplifier, and a Josephson parametric amplifier. We emphasize the use of a 50-$\Omega$ shot noise tunnel junction (SNTJ) as a broadband noise source, demonstrating its utility for cryogenic amplifier amplifications. These practical examples highlight the role of loss as well as the additional parametric amplifier `idler' input mode.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (45)
  1. N. Galitzki, A. Ali, K. S. Arnold, P. C. Ashton, J. E. Austermann, C. Baccigalupi, T. Baildon, D. Barron, J. A. Beall, S. Beckman, S. M. M. Bruno, S. Bryan, P. G. Calisse, G. E. Chesmore, Y. Chinone, S. K. Choi, G. Coppi, K. D. Crowley, K. T. Crowley, A. Cukierman, M. J. Devlin, S. Dicker, B. Dober, S. M. Duff, J. Dunkley, G. Fabbian, P. A. Gallardo, M. Gerbino, N. Goeckner-Wald, J. E. Golec, J. E. Gudmundsson, E. E. Healy, S. Henderson, C. A. Hill, G. C. Hilton, S.-P. P. Ho, L. A. Howe, J. Hubmayr, O. Jeong, B. Keating, B. J. Koopman, K. Kiuchi, A. Kusaka, J. Lashner, A. T. Lee, Y. Li, M. Limon, M. Lungu, F. Matsuda, P. D. Mauskopf, A. J. May, N. McCallum, J. McMahon, F. Nati, M. D. Niemack, J. L. Orlowski-Scherer, S. C. Parshley, L. Piccirillo, M. S. Rao, C. Raum, M. Salatino, J. S. Seibert, C. Sierra, M. Silva-Feaver, S. M. Simon, S. T. Staggs, J. R. Stevens, A. Suzuki, G. Teply, R. Thornton, C. Tsai, J. N. Ullom, E. M. Vavagiakis, M. R. Vissers, B. Westbrook, E. J. Wollack, Z. Xu, and N. Zhu, “The Simons Observatory: instrument overview,” in Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy IX, Vol. 10708, edited by J. Zmuidzinas and J.-R. Gao, International Society for Optics and Photonics (SPIE, 2018) p. 1070804.
  2. H. McCarrick, E. Healy, Z. Ahmed, K. Arnold, Z. Atkins, J. E. Austermann, T. Bhandarkar, J. A. Beall, S. M. Bruno, S. K. Choi, J. Connors, N. F. Cothard, K. D. Crowley, S. Dicker, B. Dober, C. J. Duell, S. M. Duff, D. Dutcher, J. C. Frisch, N. Galitzki, M. B. Gralla, J. E. Gudmundsson, S. W. Henderson, G. C. Hilton, S.-P. P. Ho, Z. B. Huber, J. Hubmayr, J. Iuliano, B. R. Johnson, A. M. Kofman, A. Kusaka, J. Lashner, A. T. Lee, Y. Li, M. J. Link, T. J. Lucas, M. Lungu, J. A. B. Mates, J. J. McMahon, M. D. Niemack, J. Orlowski-Scherer, J. Seibert, M. Silva-Feaver, S. M. Simon, S. Staggs, A. Suzuki, T. Terasaki, R. Thornton, J. N. Ullom, E. M. Vavagiakis, L. R. Vale, J. V. Lanen, M. R. Vissers, Y. Wang, E. J. Wollack, Z. Xu, E. Young, C. Yu, K. Zheng, and N. Zhu, “The simons observatory microwave squid multiplexing detector module design,” The Astrophysical Journal 922, 38 (2021).
  3. O. Noroozian, J. A. B. Mates, D. A. Bennett, J. A. Brevik, J. W. Fowler, J. Gao, G. C. Hilton, R. D. Horansky, K. D. Irwin, Z. Kang, D. R. Schmidt, L. R. Vale, and J. N. Ullom, “High-resolution gamma-ray spectroscopy with a microwave-multiplexed transition-edge sensor array,” Applied Physics Letters 103, 202602 (2013).
  4. J. A. B. Mates, D. T. Becker, D. A. Bennett, B. J. Dober, J. D. Gard, J. P. Hays-Wehle, J. W. Fowler, G. C. Hilton, C. D. Reintsema, D. R. Schmidt, D. S. Swetz, L. R. Vale, and J. N. Ullom, “Simultaneous readout of 128 x-ray and gamma-ray transition-edge microcalorimeters using microwave squid multiplexing,” Applied Physics Letters 111, 062601 (2017), https://doi.org/10.1063/1.4986222 .
  5. Y. Nakashima, F. Hirayama, S. Kohjiro, H. Yamamori, S. Nagasawa, A. Sato, S. Yamada, R. Hayakawa, N. Y. Yamasaki, K. Mitsuda, K. Nagayoshi, H. Akamatsu, L. Gottardi, E. Taralli, M. P. Bruijn, M. L. Ridder, J. R. Gao, and J. W. A. den Herder, “Low-noise microwave squid multiplexed readout of 38 x-ray transition-edge sensor microcalorimeters,” Applied Physics Letters 117, 122601 (2020).
  6. P. Szypryt, D. A. Bennett, W. J. Boone, A. L. Dagel, G. Dalton, W. B. Doriese, M. Durkin, J. W. Fowler, E. J. Garboczi, J. D. Gard, G. C. Hilton, J. Imrek, E. S. Jimenez, V. Y. Kotsubo, K. Larson, Z. H. Levine, J. A. B. Mates, D. McArthur, K. M. Morgan, N. Nakamura, G. C. O’Neil, N. J. Ortiz, C. G. Pappas, C. D. Reintsema, D. R. Schmidt, D. S. Swetz, K. R. Thompson, J. N. Ullom, C. Walker, J. C. Weber, A. L. Wessels, and J. W. Wheeler, “Design of a 3000-pixel transition-edge sensor x-ray spectrometer for microcircuit tomography,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity 31, 1–5 (2021).
  7. M. Malnou, J. A. B. Mates, M. R. Vissers, L. R. Vale, D. R. Schmidt, D. A. Bennett, J. Gao, and J. N. Ullom, “Improved microwave SQUID multiplexer readout using a kinetic-inductance traveling-wave parametric amplifier,” Applied Physics Letters 122, 214001 (2023).
  8. F. Arute, K. Arya, R. Babbush, D. Bacon, J. C. Bardin, R. Barends, R. Biswas, S. Boixo, F. G. S. L. Brandao, D. A. Buell, B. Burkett, Y. Chen, Z. Chen, B. Chiaro, R. Collins, W. Courtney, A. Dunsworth, E. Farhi, B. Foxen, A. Fowler, C. Gidney, M. Giustina, R. Graff, K. Guerin, S. Habegger, M. P. Harrigan, M. J. Hartmann, A. Ho, M. Hoffmann, T. Huang, T. S. Humble, S. V. Isakov, E. Jeffrey, Z. Jiang, D. Kafri, K. Kechedzhi, J. Kelly, P. V. Klimov, S. Knysh, A. Korotkov, F. Kostritsa, D. Landhuis, M. Lindmark, E. Lucero, D. Lyakh, S. Mandrà, J. R. McClean, M. McEwen, A. Megrant, X. Mi, K. Michielsen, M. Mohseni, J. Mutus, O. Naaman, M. Neeley, C. Neill, M. Y. Niu, E. Ostby, A. Petukhov, J. C. Platt, C. Quintana, E. G. Rieffel, P. Roushan, N. C. Rubin, D. Sank, K. J. Satzinger, V. Smelyanskiy, K. J. Sung, M. D. Trevithick, A. Vainsencher, B. Villalonga, T. White, Z. J. Yao, P. Yeh, A. Zalcman, H. Neven, and J. M. Martinis, “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor,” Nature 574, 505–510 (2019).
  9. S. Krinner, N. Lacroix, A. Remm, A. Di Paolo, E. Genois, C. Leroux, C. Hellings, S. Lazar, F. Swiadek, J. Herrmann, G. J. Norris, C. K. Andersen, M. Müller, A. Blais, C. Eichler, and A. Wallraff, “Realizing repeated quantum error correction in a distance-three surface code,” Nature 605, 669–674 (2022).
  10. R. Acharya et al., “Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit,” Nature 614, 676–681 (2023).
  11. B. M. Brubaker, L. Zhong, Y. V. Gurevich, S. B. Cahn, S. K. Lamoreaux, M. Simanovskaia, J. R. Root, S. M. Lewis, S. Al Kenany, K. M. Backes, I. Urdinaran, N. M. Rapidis, T. M. Shokair, K. A. van Bibber, D. A. Palken, M. Malnou, W. F. Kindel, M. A. Anil, K. W. Lehnert, and G. Carosi, “First results from a microwave cavity axion search at 24⁢  ⁢μ⁢eV24  𝜇eV24\text{ }\text{ }\mu\mathrm{eV}24 italic_μ roman_eV,” Phys. Rev. Lett. 118, 061302 (2017).
  12. N. Du, N. Force, R. Khatiwada, E. Lentz, R. Ottens, L. J. Rosenberg, G. Rybka, G. Carosi, N. Woollett, D. Bowring, A. S. Chou, A. Sonnenschein, W. Wester, C. Boutan, N. S. Oblath, R. Bradley, E. J. Daw, A. V. Dixit, J. Clarke, S. R. O’Kelley, N. Crisosto, J. R. Gleason, S. Jois, P. Sikivie, I. Stern, N. S. Sullivan, D. B. Tanner, and G. C. Hilton (ADMX Collaboration), “Search for invisible axion dark matter with the axion dark matter experiment,” Phys. Rev. Lett. 120, 151301 (2018).
  13. K. M. Backes, D. A. Palken, S. A. Kenany, B. M. Brubaker, S. B. Cahn, A. Droster, G. C. Hilton, S. Ghosh, H. Jackson, S. K. Lamoreaux, A. F. Leder, K. W. Lehnert, S. M. Lewis, M. Malnou, R. H. Maruyama, N. M. Rapidis, M. Simanovskaia, S. Singh, D. H. Speller, I. Urdinaran, L. R. Vale, E. C. van Assendelft, K. van Bibber, and H. Wang, “A quantum enhanced search for dark matter axions,” Nature 590, 238–242 (2021).
  14. B. Yurke, L. R. Corruccini, P. G. Kaminsky, L. W. Rupp, A. D. Smith, A. H. Silver, R. W. Simon, and E. A. Whittaker, “Observation of parametric amplification and deamplification in a Josephson parametric amplifier,” Phys. Rev. A 39, 2519–2533 (1989).
  15. M. A. Castellanos-Beltran, K. D. Irwin, G. C. Hilton, L. R. Vale, and K. W. Lehnert, “Amplification and squeezing of quantum noise with a tunable Josephson metamaterial,” Nature Physics 4, 929–931 (2008).
  16. N. Bergeal, F. Schackert, M. Metcalfe, R. Vijay, V. E. Manucharyan, L. Frunzio, D. E. Prober, R. J. Schoelkopf, S. M. Girvin, and M. H. Devoret, “Phase-preserving amplification near the quantum limit with a josephson ring modulator,” Nature 465, 64–68 (2010).
  17. C. Macklin, K. O’Brien, D. Hover, M. E. Schwartz, V. Bolkhovsky, X. Zhang, W. D. Oliver, and I. Siddiqi, “A near–quantum-limited josephson traveling-wave parametric amplifier,” Science 350, 307–310 (2015).
  18. L. Ranzani, L. Spietz, Z. Popovic, and J. Aumentado, “Two-port microwave calibration at millikelvin temperatures,” Review of scientific instruments 84 (2013).
  19. J.-H. Yeh and S. M. Anlage, “In situ broadband cryogenic calibration for two-port superconducting microwave resonators,” Review of Scientific Instruments 84 (2013).
  20. M. Stanley, S. De Graaf, T. Hönigl-Decrinis, T. Lindström, and N. M. Ridler, “Characterizing scattering parameters of superconducting quantum integrated circuits at milli-kelvin temperatures,” IEEE Access 10, 43376–43386 (2022).
  21. L. Spietz, R. J. Schoelkopf, and P. Pari, “Shot noise thermometry down to 10mk,” Applied Physics Letters 89, 183123 (2006).
  22. S.-W. Chang, J. Aumentado, W.-T. Wong, and J. Bardin, “Noise measurement of cryogenic low noise amplifiers using a tunnel-junction shot-noise source,” in 2016 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS) (IEEE, 2016) pp. 1–4.
  23. C. Beenakker and C. Schönenberger, “Quantum Shot Noise,” Physics Today 56, 37–42 (2003).
  24. H. Friis, “Noise figures of radio receivers,” Proceedings of the IRE 32, 419–422 (1944).
  25. G. Evans and C. W. McLeish, RF Radiometer Handbook (1977) provided by the SAO/NASA Astrophysics Data System.
  26. N. Zobrist, B. H. Eom, P. Day, B. A. Mazin, S. R. Meeker, B. Bumble, H. G. LeDuc, G. Coiffard, P. Szypryt, N. Fruitwala, I. Lipartito, and C. Bockstiegel, “Wide-band parametric amplifier readout and resolution of optical microwave kinetic inductance detectors,” Applied Physics Letters 115 (2019), 10.1063/1.5098469, 042601.
  27. M. Malnou, D. A. Palken, L. R. Vale, G. C. Hilton, and K. W. Lehnert, “Optimal operation of a josephson parametric amplifier for vacuum squeezing,” Phys. Rev. Appl. 9, 044023 (2018).
  28. M. Malnou, M. Vissers, J. Wheeler, J. Aumentado, J. Hubmayr, J. Ullom, and J. Gao, “Three-wave mixing kinetic inductance traveling-wave amplifier with near-quantum-limited noise performance,” PRX Quantum 2, 010302 (2021).
  29. S. Simbierowicz, V. Vesterinen, J. Milem, A. Lintunen, M. Oksanen, L. Roschier, L. Grönberg, J. Hassel, D. Gunnarsson, and R. E. Lake, “Characterizing cryogenic amplifiers with a matched temperature-variable noise source,” Review of Scientific Instruments 92 (2021), 10.1063/5.0028951, 034708, https://pubs.aip.org/aip/rsi/article-pdf/doi/10.1063/5.0028951/13865090/034708_1_online.pdf .
  30. L. Spietz, K. W. Lehnert, I. Siddiqi, and R. J. Schoelkopf, “Primary electronic thermometry using the shot noise of a tunnel junction,” Science 300, 1929–1932 (2003).
  31. J. L. Cano, N. Wadefalk, and J. D. Gallego-Puyol, “Ultra-wideband chip attenuator for precise noise measurements at cryogenic temperatures,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 58, 2504–2510 (2010).
  32. 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, “Traveling wave parametric amplifier with josephson junctions using minimal resonator phase matching,” Applied Physics Letters 106, 242601 (2015).
  33. M. Malnou, J. Aumentado, M. Vissers, J. Wheeler, J. Hubmayr, J. Ullom, and J. Gao, “Performance of a kinetic inductance traveling-wave parametric amplifier at 4 kelvin: Toward an alternative to semiconductor amplifiers,” Phys. Rev. Appl. 17, 044009 (2022).
  34. F. Lecocq, L. Ranzani, G. A. Peterson, K. Cicak, R. W. Simmonds, J. D. Teufel, and J. Aumentado, “Nonreciprocal microwave signal processing with a field-programmable josephson amplifier,” Phys. Rev. Appl. 7, 024028 (2017).
  35. C. M. Caves, “Quantum limits on noise in linear amplifiers,” Phys. Rev. D 26, 1817–1839 (1982).
  36. R. W. Boyd, Nonlinear Optics (Academic press, 2019).
  37. Y. Yamamoto and T. Mukai, “Fundamentals of optical amplifiers,” Optical and quantum electronics 21, S1–S14 (1990).
  38. F. Mallet, M. A. Castellanos-Beltran, H. S. Ku, S. Glancy, E. Knill, K. D. Irwin, G. C. Hilton, L. R. Vale, and K. W. Lehnert, “Quantum state tomography of an itinerant squeezed microwave field,” Phys. Rev. Lett. 106, 220502 (2011).
  39. S. Boutin, D. M. Toyli, A. V. Venkatramani, A. W. Eddins, I. Siddiqi, and A. Blais, “Effect of higher-order nonlinearities on amplification and squeezing in josephson parametric amplifiers,” Phys. Rev. Appl. 8, 054030 (2017).
  40. A. Remm, S. Krinner, N. Lacroix, C. Hellings, F. m. c. Swiadek, G. J. Norris, C. Eichler, and A. Wallraff, “Intermodulation distortion in a josephson traveling-wave parametric amplifier,” Phys. Rev. Appl. 20, 034027 (2023).
  41. K. O’Brien, C. Macklin, I. Siddiqi, and X. Zhang, “Resonant phase matching of josephson junction traveling wave parametric amplifiers,” Phys. Rev. Lett. 113, 157001 (2014).
  42. W. Wustmann and V. Shumeiko, “Parametric resonance in tunable superconducting cavities,” Phys. Rev. B 87, 184501 (2013).
  43. A. Bienfait, P. Campagne-Ibarcq, A. H. Kiilerich, X. Zhou, S. Probst, J. J. Pla, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, J. J. L. Morton, K. Moelmer, and P. Bertet, “Magnetic resonance with squeezed microwaves,” Phys. Rev. X 7, 041011 (2017).
  44. D. J. Parker, M. Savytskyi, W. Vine, A. Laucht, T. Duty, A. Morello, A. L. Grimsmo, and J. J. Pla, “Degenerate parametric amplification via three-wave mixing using kinetic inductance,” Phys. Rev. Appl. 17, 034064 (2022).
  45. G. A. Peterson, Parametric Coupling between Microwaves and Motion in Quantum Circuits: Fundamental Limits and Applications, Ph.D. thesis, University of Colorado at Boulder (2020).
Citations (7)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now
Lightbulb Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now
List To Do Tasks Checklist Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up
X Twitter Logo Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Tweets

This paper has been mentioned in 1 tweet and received 1 like.

Upgrade to Pro to view all of the tweets about this paper:

Start a free 7-day Pro trial

Don't miss out on important new AI/ML research

See which papers are being discussed right now on X, Reddit, and more:

Explore Trending Papers

“Emergent Mind helps me see which AI papers have caught fire online.”

Philip

Philip

Creator, AI Explained on YouTube