行波参数放大器（traveling wave parametric amplifier, TWPA）可以看作一种非线性媒质，它可以提供宽带、量子极限的交流信号放大。非线性在提供信号放大所需的混频效应时，也会带来信号和泵浦之间相位的失配，难以满足放大所需的相位关系，从而给行波参数放大器设计带来困难。目前已有的两种实现相位匹配的方法，分别是利用光子晶体的带隙附近的色散和谐振腔的谐振频率附近的色散，对非线性带来的色散进行补偿。

近日，法国格勒诺布尔大学的研究组采用了一种新方法实现四波混频TWPA的相位匹配，该方法将Kerr非线性系数调成负值，对应负的色散，与四波混频带来的色散相反，从而可以用系统自身的Kerr非线性对色散进行补偿，而不需要设计额外的补偿结构。放大器由一系列的单元串联而成，每个单元都是一个小的约瑟夫森结和三个大的约瑟夫森结并联，这个结构又叫做超导非线性非对称电感元件（superconducting nonlinear asymmetric inductive elements, SNAIL）。两种约瑟夫森结的临界电流之比满足一定条件时，二阶（g3）与三阶（g4）非线性项随磁场的变化趋势是相反的，可以找到二阶为0，三阶为负且最大的点作为工作点，对应半个磁通量子。

相比前两种方法，它没有光子晶体带隙带来的工作带宽不连续和增益波动，也不像谐振腔那样对泵浦频率有严格要求，从而增大了工作带宽的可选范围。测量到的这种放大器带宽可达4GHz，在8GHz范围内可调，20dB增益下饱和功率-98dBm，噪声接近量子极限。

该工作首次成功实现了基于SNAIL的TWPA，它在4-12GHz的宽范围内都可以观察到15dB以上的增益，可以用在多量子比特系统的频分复用读出、暗物质探测和微波光子学等领域。

论文信息：https://arxiv.org/abs/2101.05815v1