基于金刚石的量子放大器

在物理学中，微弱的微波信号可以被放大，同时增加的噪声最少。例如，基于超导电路的人工量子系统可以放大和检测单个微波模式，尽管是在毫开尔文温度下。研究人员可以使用自然量子系统通过受激发射效应进行低噪声微波放大;然而，它们在功能大于1开尔文时会产生更高的噪声。

在这项发表在《科学进展》杂志上的新作品中，AlexanderSherman和海法以色列理工学院的一组化学科学家使用金刚石中的电子自旋作为量子微波放大器来处理量子限制的内部噪声高于液氮温度。该团队报告了放大器的设计、增益、带宽、饱和功率和噪声的详细信息，以促进迄今为止在量子科学、工程和物理学中无法实现的应用。

脉泽技术

深空通信、射电天文学和量子技术取决于促进以最小噪声放大和检测微波信号的进步。这些应用需要非常微弱的相关信号，达到每秒数万个微波光子的水平​​。在放大过程中添加到信号中的任何噪声都会压倒信号检测的潜力。

为了克服这个问题，科学家们目前使用三种不同类型的放大器来增强和检测微信号，同时添加非常低的噪声水平。示例包括常规电子放大器、基于超导电路的放大器和动能电导参量放大器。例如，固态微波激射器在低温下有效运行，信号中会添加一些噪声光子。

在这项工作中，Sherman及其同事将微波激射器技术向前推进了一步，以展示其实际功能，作为对同一小组先前描述的工作的彻底改造。结果可以导致实现一种实用的设备，可以测量其放大和噪声的特性，以用于量子科学的潜在应用。

一种新的微波激射装置

虽然直到最近才使用的微波激射器技术依赖于1950年代和60年代开发的技术，但为了简化功能，它现在已被传统的电子放大器所取代。量子技术可以放大非常微弱的微波信号，具有量子噪声限制性能，适用于跨量子位读出和暗物质检测的应用。然而，它们的持续功能和范围取决于超低低温。因此，研究人员使用现代微波激射技术作为解决方案。

该团队设计了新的微波激射器，以实现具有特定尺寸的微波放大器，以在高于1K的温度下显示量子噪声限制性能。在实验过程中，他们考虑了微波激射装置作为振荡器和放大器的两种可能模式。在振荡功能期间，他们减少了两个微波部分中设备的耦合。为了理解其作为放大器的功能，他们考虑了其输入和输出的耦合特性。

研究人员接下来通过两种方法评估了微波激射放大器的噪声温度，包括光照射和具有两种不同噪声温度水平的微波噪声源。他们详细介绍了新的微波激射器设备及其作为振荡器和放大器的功能模式，并将结果与​​分析预测以及数值模拟进行了比较。例如，与非Masing设备相比，基于金刚石的Maser振荡可以提高灵敏度。该团队在放大器模式下使用金刚石脉泽，并研究了它的所有相关参数，包括脉泽的实验电压增益带宽积、预期饱和功率和噪声温度。

通过这种方式，AlexanderSherman及其同事展示了在高于液氮的温度下具有量子限制内部噪声的固态迈泽放大器的功能。该设备对现代应用很有用。该团队评估了其与当前低温、低噪声微波放大技术相比的功能。结果显示了金刚石脉泽装置如何实现量子限制放大性能。实验系统进一步揭示了丰富的非线性效应，包括多重回波和超辐射;主要对腔量子电动力学研究具有重要意义的特征.