Harnessing synchronization in superconducting electronics

Scheer, David; Hassler, Fabian; Müller, Markus

doi:45455

Harnessing synchronization in superconducting electronics

Scheer, David^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von David Scheer, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hassler, Fabian (Thesis advisor)^RWTH* ; Müller, Markus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-02-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03111
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1030669/files/1030669.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bloch oscillations (frei) ; Josephson effect (frei) ; phase-slip junction (frei) ; quantum metrology (frei) ; superconducting circuits (frei) ; synchronization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ein gleichstromgespeister Josephson-Kontakt mit resistiver Überbrückung erzeugt Josephson-Oszillationen, die Spannung und Frequenz über Naturkonstanten miteinander verbinden. Die Oszillationen können sich mit einem externen Mikrowellensignal synchronisieren und erreichen so eine hohe Präzision, die dem modernen Josephson-Spannungsstandard zugrunde liegt. Das duale Gegenstück, der Phase-Slip-Kontakt, erzeugt Bloch-Oszillationen, die Strom und Frequenz auf ähnliche Weise miteinander verbinden. Ein auf synchronisierten Bloch-Oszillationen basierender Stromstandard könnte das Quantenmetrologische Dreieck schließen, das einen konsistenten Test der zugrundeliegenden fundamentalen Beziehungen zwischen Spannung, Strom und Widerstand ermöglicht. Die experimentelle Umsetzung bleibt jedoch eine Herausforderung, da Mikrowellenleitungen die erforderliche Hochimpedanzumgebung durch parasitäre Kapazitäten zerstören können. Diese Arbeit untersucht die Nutzung von Synchronisation zur Stabilisierung von Josephson- und Bloch-Oszillationen ohne externen Mikrowelletreiber. Wir geben einen Überblick über die Grundlagen der Synchronisation zwei gekoppelter Oszillatoren sowie der Dynamik supraleitender Schaltungen mit Anwendungen in der Quantenmetrologie. Wir analysieren ein aktuelles Experiment zur Synchronisation von Bloch-Oszillationen in einem Paar ultrakleiner Josephson-Kontakte. Wir beschreiben den Grundzustand des Geräts durch korrelierte Phase-Slip-Kontakte. Unser Modell stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein und bestätigt das Auftreten synchronisierter Bloch-Oszillationen. Bei großen Strömen zerstören nicht- adiabatische Übergänge die Kohärenz der Bloch-Oszillationen. Deswegen schlagen wir eine Schaltung vor, die Bloch-Oszillationen durch Synchronisation mit Josephson-Oszillationen stabilisiert. Wir untersuchen die Rückwirkung der Bloch-Oszillationen auf die Josephson-Oszillationen und identifizieren Parameter für die letztere zu einem effektiv starren Treibersignal werden. Wir zeigen weiterhin, dass die Rückwirkung die thermische Stabilität der Bloch-Oszillationen verbessert. Ohne einen Rückwirkungsmechanismus wird die Kohärenz von Josephson-Oszillationen durch thermisches Rauschen stark eingeschränkt. Wir beziehen diese Einschränkung auf die thermodynamische Unschärferelation (TUR) aus dem Bereich der stochastischen Thermodynamik, die, jüngsten Erkenntnissen zufolge, durch klassische Pendeluhren verletzt wird. Wir analysieren eine Schaltung auf Basis einer Pendeluhr als flexible, auf dem Chip integrierbare Mikrowellenquelle. Die interne Synchronisation der Uhrenschaltung ermöglicht Kohärenz oberhalb der von der TUR gesetzten Grenzen. Schließlich untersuchen wir die Verwendung von asymmetrischen Treibersignalen als Ressource für nichtreziproke supraleitende Schaltungen. Wir zeigen, dass ein biharmonisches Mikrowellensignal in einem Josephson-Kontakt eine ideale Superstromdiode mit verstellbarer Richtung erzeugt.

A resistively shunted Josephson junction with a DC-bias exhibits Josephson oscillations that link voltage and frequency through fundamental constants. These oscillations can synchronize their frequency to an external microwave signal achieving the metrological precision that underlies the modern Josephson voltage standard. Its electromagnetic dual, the phase-slip junction, exhibits Bloch oscillations that connect current to frequency in an analogous way. A current standard based on synchronized Bloch oscillations could close the quantum metrology triangle, providing a consistent test of the underlying fundamental relations between voltage, current, and resistance. The experimental realization, however, remains challenging, as external microwave lines introduce parasitic capacitances that can destroy the high-impedance environment required for Bloch oscillations. This work explores the use of on-chip synchronization to stabilize both Josephson and Bloch oscillations without the need for an external microwave drive. We review the theoretical framework of the synchronization between two coupled oscillators and the dynamics of superconducting circuits with a focus on quantum metrology. Building on this, we analyze a recent experiment on the mutual synchronization of Bloch oscillations in a pair of ultrasmall Josephson junctions. Our model in terms of correlated phase-slip junctions realized in the ground state of the device shows good agreement with the experimental results, confirming synchronized Bloch oscillations. At larger currents, nonadiabatic transitions wash out the coherence of the Bloch oscillations and therefore the synchronization features. Motivated by these findings, we propose an alternative circuit setup where the Bloch oscillations in a single phase-slip junction are stabilized by synchronization to on-chip Josephson oscillations. We study the back-action of the Bloch oscillations on the Josephson oscillations and identify a parameter regime in which it is minimized, rendering the latter an effectively rigid driving signal. Moreover, we find that the small remaining back-action further enhances the thermal stability of the synchronized Bloch oscillations compared to the externally driven case. Without a back-action mechanism, the coherence of Josephson oscillations is severely limited by thermal fluctuations. We relate this limitation to the thermodynamic uncertainty relation (TUR) in the field of stochastic thermodynamics. Recent findings show, that the TUR can be broken by a classical pendulum clock. We propose a circuit that mimics the dynamics of a pendulum clock as a flexible on-chip microwave source for high impedance environments. Due to an internal synchronization, the clock circuit emits coherent radiation beyond the limits of the TUR. Finally, we explore the use of symmetry breaking drives as a resource for nonreciprocal transport in superconducting circuits. We demonstrate that a biharmonic microwave signal applied to a conventional Josephson junction induces an ideal supercurrent diode effect with a tunable direction.

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