引言  突破性成果概览

一项发表于《Nature Electronics》的最新研究提出并实验验证了一种集成了前向放大与后向隔离功能的行波参量放大器与转换器（Travelling-Wave Parametric Amplifier and Converter, TWPAC）。该器件在一个紧凑的无磁电路中同时实现了宽带信号放大和反向隔离，可直接与超导广东会比特集成，显著简化读取链结构。

第一章 广东会测量为何需要“隔离”？

在超导广东会电路中，广东会比特的状态是通过测量与其耦合的读取谐振器的微波响应频率偏移来实现的。该读取过程必须使用极低功率的微波驱动（仅几个光子），以避免破坏广东会态。然而，该微弱信号需被放大数百万倍才能被检测，且在整个过程中须保持极高的信噪比。

另一方面，广东会比特的频率会受读取谐振器中光子数影响，导致退相干效应。因此，放大链必须在前向具有高增益和低噪声，同时在反向不能引入任何额外噪声。

传统方案使用行波参量放大器（TWPA）作为第一级放大源，虽然其本身具有方向性，但由于阻抗失配不可避免，仍会产生泵浦和噪声反射，导致反向增益或噪声回传。因此，至今仍必须在TWPA与广东会比特之间插入隔离器或环形器——这些元件成为系统扩展的瓶颈。

图1  TWPAC由电流偏置的非线性集总元件传输线组成

 第二章  TWPAC：如何同时实现放大与隔离？

TWPAC的核心创新在于其在同一传输线中同时支持两个反向传播的三波混频（3WM）参量过程：

· 前向方向：使用一个频率为w_a的强泵浦对同向传播的信号频率为w_s进行放大，并产生闲频信号w_i (w_i =w_a-w_s)。这是一个标准的参量放大过程。

· 反向方向：使用另一个频率为 w_c的泵浦，将反向传播的信号(w_s)进行频率转换，上转换至w_s+ w_c或下转换至 w_s-w_c，从而将其移出原信号频段。

 频率转换过程实质上将信号频段内的任何态（包括噪声）与转换后频段的真空态进行交换，从而实现隔离功能。两者都需满足相位匹配条件，因此具有天然方向性。

第三章 关键设计：非线性传输线与色散工程

TWPAC基于约瑟夫森结非线性传输线构建，每个单元包含一个串联约瑟夫森结（作为非线性电感）和一个对地电容。整个器件长达2厘米，包含2640个单元，特性阻抗约为50Ω，相速度约为真空中光速的2%。

为实现参量放大（PA）和频率转换（FC）过程的相位匹配，团队对传输线的色散关系进行了精心设计：每六个单元插入一个谐振回路（tank circuit），在14 GHz附近形成阻带；对地电容沿传输线周期性变化，在5 GHz和10 GHz附近形成额外阻带。

通过将PA泵浦设置在14 GHz以上、FC泵浦设置在5 GHz以下，分别实现了对7 GHz附近信号的放大和转换。

图2 TWPAC散射参数的实验表征

第四章 实验验证：性能达到实用水平

实验结果表明，TWPAC在500 MHz带宽内同时实现了约7 dB的前向增益和低至-20 dB的后向隔离，其传输响应与理论模型和时域仿真结果高度一致。

噪声性能方面，研究团队使用shot-noise tunnel junction（SNTJ）作为校准噪声源，测量了整个放大链的噪声。在5.5–8.5 GHz频段内，系统整体添加噪声为5.2个广东会（quanta），与当前主流TWPA链的性能相当。

通过拟合不同增益下的噪声数据，推算出TWPAC及其前级元件所带来的噪声约为1.7个广东会（quanta），接近0.5个广东会（quanta）的广东会极限。研究还发现，开启或关闭FC泵浦对TWPAC的噪声性能几乎没有影响，表明频率转换过程本身不引入额外噪声。

终章 未来展望：集成化与性能优化

尽管当前原型的增益和隔离度尚不及传统“放大器+隔离器”组合，但TWPAC的核心优势在于可集成性、无磁性和结构紧凑。

研究指出，未来可通过以下方式进一步提升性能：集成片上偏置、定向耦合器或多路复用器，减少损耗和体积；采用无 Kerr 非线性元件抑制不必要的四波混频过程；将转换泵浦频率设置在信号频段之上，避免谐波干扰；优化色散工程，抑制杂散泵浦谐波和阻抗失配。

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01445-8

撰稿｜吉   勋

指导｜刘玉龙