南京大学吴培亨院士团队王永磊和王华兵教授等研制出超导微波频率梳,助力极低温量子科技

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近日,南京大学电子学院超导电子学研究所的研究团队在《自然通讯》杂志上报道了一种完全集成且直流电驱动的超导微波频率梳信号源,其易于制造和操作,且能耗极低,有望成为片上集成量子芯片的关键信号源(图1),从而推动超导量子科技的发展,是一项拓展超导电子学应用的具有里程碑意义的研究工作。

图1. 基于超低能耗的片上集成微波频率梳有望实现片上集成的量子芯片

频率梳是一种能够发射多条等间隔频谱线的特殊激光源,广泛应用于光学钟、激光雷达、光谱学和光神经网络等高精度测量领域。片上集成频率梳已经在光学领域取得了显著进展,然而低温工作的微波频段完全片上集成频率梳依然是一个空白,充满了机遇和挑战。研究团队历经五年,成功实现了一种基于超导材料的片上集成微波频率梳信号源,其产生的微波信号在频谱上为一系列等间隔的谱线,时域上为一系列高度相干的调制脉冲微波信号。该器件结构简单,操作便捷,仅由一个极低功耗的直流信号进行驱动。

图2. 片上集成超导微波频率梳。a,该频率梳信号源由超导约瑟夫森结与超导谐振器耦合构成,仅需一个直流信号进行驱动。b,辐射的信号在频谱上为一系列等间隔的谱线。c,对应的时域信号为一些列高度相干的脉冲微波信号。

该研究的核心是一种超导频率梳信号源,由直流偏置电源驱动的约瑟夫森结与超导共面波导谐振器直接耦合实现的。研究人员成功实现了频率梳的自启动模式锁定,功耗仅为几十皮瓦。该频率梳工作在微波频段,其线宽可通过独特的相干注入锁定技术缩小至1 Hz以内(图3),从而实现了高精度的频率控制。

图 3. 频率梳的相干注入锁定效应。(a) 频率梳频谱,其中注入信号频率选在第7阶模式频率附近。(b-d) 在固定功率 (Pinj = -82 dBm) 下,通过在 f7 周围扫描注入频率finj信号,并在不同探测模式msen=6 (b), 7 (c) 和 9 (d) 下获得的光谱图。辐射信号在 Δfinj 和Δfsen 范围内被锁定。(e-g) 自由运行(黑色)和注入锁定(红色)状态下的光谱比较。插图显示了线宽,所有锁定模式的线宽都 ≤ 1 Hz。(h-j) 在偏离共振频率(finj=f7-Δfoff; f7=5.26 GHz, Δfoff=8 MHz)下,通过改变注入功率 (Pinj) 获得的光谱图。锁定频率与自由运行辐射频率的偏移由 Δflock 表示。(b-d, h-j) 中的长虚线采用本研究提出的扩展 Adler 方程 (2) 的拟合。(k-m) Δfinj 和Δfoff (k)、Δfsen (l)以及Δflock (m) 随模式数 m 的变化图。

这一突破性成果在超导量子科技领域具有重要的应用价值,特别是在开发低成本的片上集成任意波形发生器方面,为未来的量子技术应用带来重要变革。作为片上集成量子芯片的信号源,超导微波频率梳不仅具有极高的能效,还可在超低温环境下工作,与现有的超导量子电路完美契合。其超低能耗使得在中小型稀释制冷机中理论上可以容纳数百万个集成频率梳信号源。

这项研究在国际上首次实现了完全片上集成的频率梳信号源,拓展了超导约瑟夫森结器件的应用。超导微波频率梳的应用将显著降低超导量子计算的成本、体积、能耗、纠错的难度,从而促进未来大规模集成通用量子计算的发展和应用。通过这一技术,有望大幅提高量子计算的规模和复杂度。

研究团队将继续优化超导微波频率梳的性能,并探索其在量子技术中的应用可能性。研究团队将通过与可调频率的超导谐振器集成,实现更高精度的频率控制和波形生成;并积极探索在高温超导体中实现太赫兹频段的超导频率梳,为该技术的工作温度范围扩展提供可能。

南京大学电子科学与工程学院博士生王晨光为该工作的第一作者。南京大学电子科学与工程学院王永磊教授、王华兵教授和吴培亨院士为该工作的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、紫金山实验室、自旋芯片与技术全国重点实验室等的支持。

责编: 爱集微
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