Датчик заряда без impedance matching: nonlinear resonator даёт near-unity contrast
Контраст отражённого СВЧ-сигнала при смене состояния двойной квантовой точки вырос с 0.2 до 0.8 после перевода резонатора в нелинейный режим. Джозефсоновская нелинейность преобразовала добавочные потери зарядового сенсора в сдвиг частоты и переключение отклика. Измерения также показали, какой ценой достигается такой контраст: требуется сильный драйв и работа у порога нелинейности.
В Nature Communications опубликован эксперимент по считыванию заряда двойной квантовой точки, в котором контраст отражённого микроволнового сигнала достиг |Δr| = 0.8. В линейном режиме того же устройства максимум составлял |Δr| = 0.2. Результат получен на частоте резонатора 6.75 GHz с использованием джозефсоновского массива как управляемого нелинейного элемента тракта считывания.
Устройство объединяет двойную квантовую точку и отдельную квантовую точку-сенсор, сформированные в InAs-нанопроводе. Сенсор подключён к резонатору на последовательном массиве из 13 SQUID. Изменение зарядового состояния двойной точки меняет проводимость сенсора. Для обычного диссипативного отражательного считывания это означает небольшую добавку к внутренним потерям резонатора. Амплитудный контраст при этом ограничен соотношением между связью с линией, внутренними потерями и потерями сенсора.
В линейном режиме авторы извлекли скорость связи с портом κc/2π = 62 MHz, внутренние потери κi/2π = 60 MHz и добавочную диссипацию проводящего сенсора κs/2π = 28 MHz. Сильный отклик в такой схеме требует приближения к определённому условию согласования κc = κs. Почти это связывает геометрию резонатора, рабочую точку сенсора и разброс параметров наноструктуры, который трудно контролировать от образца к образцу.
Массив SQUID меняет картину при повышении мощности СВЧ-накачки. Его кинетическая индуктивность зависит от тока, поэтому резонансная частота становится амплитудно-зависимой. Добавочная проводимость квантовой точки изменяет добротность и внутриполостное поле; этого оказывается достаточно, чтобы сдвинуть порог нелинейного отклика. Два зарядовых состояния попадают на разные участки крутой частотно-амплитудной характеристики. Малое изменение диссипации превращается в большой сдвиг фазы и амплитуды отражения.
В экспериментальном сравнении одинаковая точность различения состояний, F = 0.9, была получена за 200 μs в линейном режиме и за 80 ns в нелинейном. Прямое отношение этих интервалов включает примерно 100-кратное различие мощности возбуждения и десятикратное различие отражательного сигнала. После учёта этих факторов авторы оценивают дополнительный выигрыш нелинейного режима более чем в порядок. Предельное время пока не установлено: дальнейшие измерения должны отделить динамику резонатора от RC-постоянной квантовой точки, оценённой порядка 1 ns.
Работа относится к криогенному измерительному тракту для полупроводниковых квантовых устройств. Метод особенно интересен тем, что ослабляет зависимость контраста от точного равенства потерь сенсора и связи с линией. Взамен появляются требования к стабильности рабочей точки, мощности накачки и контролю нелинейной динамики SQUID-резонатора. Для масштабируемого считывания спиновых кубитов это пока лабораторная демонстрация зарядового сенсора, однако физический механизм уже проверен на работающем устройстве.