Ein diamantbasierter Quantenverstärker

In der Physik können schwache Mikrowellensignale mit minimalem zusätzlichem Rauschen verstärkt werden. Beispielsweise können künstliche Quantensysteme, die auf supraleitenden Schaltkreisen basieren, einzelne Mikrowellenmuster verstärken und detektieren, allerdings bei Millikelvin-Temperaturen. Forscher können natürliche Quantensysteme zur rauscharmen Mikrowellenverstärkung über stimulierte Emissionseffekte nutzen; allerdings erzeugen sie bei Funktionalitäten größer 1 Kelvin ein höheres Rauschen.

In dieser neuen Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte, Alexander Sherman und ein Team von Chemiewissenschaftlern am Technical-Israel Institute of Technology, Haifa, nutzten Elektronenspins in Diamant als Quantenmikrowellenverstärker, um mit quantenbegrenztem internen Rauschen oberhalb der Temperaturen von flüssigem Stickstoff zu funktionieren. Das Team berichtete Details über das Design, die Verstärkung, die Bandbreite, die Sättigungsleistung und das Rauschen des Verstärkers, um bisher nicht verfügbare Anwendungen in der Quantenwissenschaft, Technik und Physik zu ermöglichen.

Maser-Technologie

Weltraumkommunikation, Radioastronomie und Quantentechnologie hängen von Fortschritten ab, die die Verstärkung und Detektion von Mikrowellensignalen mit minimalem Rauschen ermöglichen. Diese Anwendungen erfordern ein sehr schwaches Signal für Relevanz auf der Ebene von Zehnhunderten von Mikrowellenphotonen pro Sekunde. Jegliches Rauschen, das dem Signal während des Verstärkungsprozesses hinzugefügt wird, kann das Potenzial der Signalerkennung überwältigen.

Um dies zu überwinden, verwenden Wissenschaftler derzeit drei verschiedene Arten von Verstärkern, um Mikrosignale zu verstärken und zu erkennen und gleichzeitig sehr geringe Rauschpegel hinzuzufügen. Beispiele umfassen herkömmliche elektronische Verstärker, Verstärker auf der Basis von supraleitenden Schaltungen und parametrische Verstärker mit kinetischer Leitfähigkeit. Beispielsweise funktionieren Festkörper-Maser effizient bei niedrigen Temperaturen, wobei dem Signal einige Rauschphotonen hinzugefügt werden.

In dieser Arbeit haben Sherman und Kollegen die Maser-Technologie einen Schritt nach vorne gemacht, um ihre tatsächliche Funktionalität als vollständige Neuerfindung einer zuvor beschriebenen Arbeit derselben Gruppe zu zeigen. Die Ergebnisse können zur Realisierung eines praktischen Geräts führen, dessen Verstärkungs- und Rauscheigenschaften für potenzielle Anwendungen in der Quantenwissenschaft gemessen werden können.

Ein neues Mastergerät

Dabei stützte man sich auf die Maser-Technologie, die bis vor kurzem im Einsatz war Technologien, die in den 1950er und 1960er Jahren entwickelt wurden, wird es jetzt durch herkömmliche elektronische Verstärker ersetzt, um die Funktionalität zu vereinfachen. Die Quantentechnologie kann sehr schwache Mikrowellensignale mit durch Quantenrauschen begrenzter Leistung für Anwendungen über Quantenbit-Auslesungen und zur Detektion dunkler Materie verstärken. Ihre weitere Funktion und Reichweite hängen jedoch von ultraniedrigen kryogenen Temperaturen ab. Als Ergebnis verwenden Forscher moderne Masertechnologie als Lösung.

Das Team entwarf den neuen Maser, um einen Mikrowellenverstärker mit spezifischen Abmessungen zu erreichen, der eine durch Quantenrauschen begrenzte Leistung bei Temperaturen über 1 K zeigt. Während der Experimente betrachteten sie zwei mögliche Modi des Masergeräts als Oszillator und Verstärker. Während der Oszillationsfunktion reduzierten sie die Kopplung des Geräts in die beiden Mikrowellenteile. Um seine Funktion als Verstärker zu verstehen, berücksichtigten sie die Kopplungseigenschaften von Ein- und Ausgang.

Geräuschbewertung.

Als nächstes bewerteten die Forscher die Rauschtemperatur des Maser-Verstärkers mit zwei Methoden, darunter Lichteinstrahlung und eine Mikrowellen-Rauschquelle mit zwei unterschiedlichen Rauschtemperaturpegeln. Sie detailliert das neue Maser-Gerät in Bezug auf seine Funktionsweise als Oszillator und Verstärker und verglichen die Ergebnisse mit analytischen Vorhersagen sowie numerischen Simulationen. Beispielsweise könnten die diamantbasierten Maser-Oszillationen die Empfindlichkeit im Vergleich zu Nicht-Masing-Geräten steigern. Das Team verwendete den Diamant-Maser im Verstärkermodus und untersuchte alle seine relevanten Parameter, einschließlich des experimentellen Spannungsverstärkungs-Bandbreitenprodukts des Masers, seiner erwarteten Sättigungsleistung und seiner Rauschtemperatur.

Ausblick

Auf diese Weise zeigten Alexander Sherman und Kollegen die Funktionalität eines Festkörper-Maserverstärkers mit quantenbegrenztem internem Rauschen bei Temperaturen oberhalb von flüssigem Stickstoff. Das Gerät ist nützlich für moderne Anwendungen. Das Team bewertete seine Funktion im Vergleich zu aktuellen Technologien zur kryogenen, rauscharmen Mikrowellenverstärkung. Die Ergebnisse zeigten, wie das Diamant-Maser-Gerät eine quantenbegrenzte Verstärkungsleistung ermöglichte. Das experimentelle System offenbarte ferner eine Fülle von nichtlineare Effekteeinschließlich mehrere Echos und Super-Ausstrahlung; Merkmale von Bedeutung vor allem für die Forschung in Cavity-Quantenelektrodynamik.

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