在射电望远镜中使用的最先进半导体技术，将为实现量子计算机做出重要贡献。国立天文台的小岛崇文副教授带领的研究团队，设计了一种全新概念的超导微波放大器，该放大器利用了一直被用于射电天文作为放大元件观测的电磁波检测元件，成功地实现了比传统冷却型半导体放大器低3个数量级电力功耗的高性能冷却型放大器。这个结果对于实现需要大量低噪声微波放大器的大型多波束射电观测装置以及容错型量子计算机有着重要的意义。
国立天文台小岛崇文副教授
许多射电望远镜都是通过抛物面天线收集来自不同天体的无线电波的，用接收器（超导夹住绝缘体的三明治构造SIS混频器）接收信号，通过分析这些信号来获取天体的各种信息。来自宇宙的信号非常微弱，因此需要高性能的放大器，而且这些操作需要在极低的4K（开尔文）温度下进行。
研究团队尝试将SIS混频器和放大器像相机的图像传感器那样配置在二维平面上，以便开发出能极大地提高观测效率的超导射电成像装置，但冷却型半导体放大器的典型消耗电力约为10毫瓦，100台便达到了通用型4K冷冻机的冷却能力上限。因此，放大器的低功耗化成为重要的关注点。
对此，研究团队设计了一种将两个SIS混频器级联起来作为放大器元件的全新概念超导微波放大器（SIS增幅器）。让作为射电望远镜接收器使用的SIS混频器同时具有频率转换和放大信号两种功能。
小岛副教授等人早在2018年就获得了SIS增幅器在放大微波效果方面的初步成果，但当时对操作条件的理论解释和结构优化做得还不够充分，仅停留在原理的验证阶段。在本次研究中，研究团队重新探讨了SIS增幅器的结构，同时优化了输入到SIS增幅器的局部信号的条件。特别是从理论上发现了局部信号的相位会大幅度地影响SIS增幅器性能的关系，因此，通过导入局部信号发生器来调整相位，成功地优化了性能。
此次开发的SIS增幅器实现了10K左右的噪声温度，对频率低于5GHz的输入信号实现了3～6倍的增益。此外，由于SIS混频器单个元件的功耗通常为微瓦级，所以它比传统半导体放大器的电力功耗小了3个数量级以上。这也实现大规模超导量子计算机必不可少的技术。
图2 ：本次开发的SIS增幅器。左右两端的立方体为SIS混频器（供图：自然科学研究机构 国立天文台）
小岛副教授表示，“本次试制的SIS增幅器长度为10厘米，截面为20平方毫米，目前还处于原理验证阶段。未来，我们将继续优化设计，目标是将全部由超导电路元件构成的集成电路安装在硅基板上，使其可以仅通过直流电源动作。我们希望由此为实现多波束射电望远镜和大规模量子计算机做出贡献。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Applied Physics Letters 122, 072601 (2023)
论文：Characterization of a Low-noise Superconductor-Insulator-Superconductor-based Microwave Amplifier with Local Oscillator Phase-adjusting Architecture
DOI：10.1063/5.0134595
