以超导Josephson隧道结为基本元件的超导Josephson电路已成为固态超导量子比特芯片的主流方案。在这一研究中微波单光子能量信号的放大对读出线路中放大器自身的噪声性能极为苛刻,需要达到量子极限水平。我们利用Josephson结的无耗散非线性效应,实现微弱信号的混频参量放大输出,其噪声水平可接近量子极限,实现了比特信号的单发高保真非破坏测量。论文研究了超导共面波导腔电路和约瑟夫森参量放大的基本理论,开展了多种带宽特性的超导约瑟夫森参量放大器的电路结构设计、制备工艺和性能表征测量研究。主要研究内容和创新成果包括以下几个方面:1、对约瑟夫森参量放大的机制进行了理论分析,具体包括非线性响应、带宽增益特性、量子极限噪声性能等。在对理论模型参数研究基础上设计了基于共面波导腔的窄带超导约瑟夫森参量放大器,探索并形成了稳定的制备工艺,并对参放样品的性能表征测量电路进行了系统的研究,形成了成熟稳定的设计、制备和表征等完备流程。在4～12 GHz的频率区间,可快速设计并制备出可靠的频率可调约瑟夫森参放样品。此外,利用该类型放大器研究了微波波段的参量放大机制,实验观察和理论解释了腔与外部传输线作用导致的相干偏移效应等,通过调节静态磁通偏置和谐振器工作状态可以实现对信号相干压缩的精确控制,并利用腔谐振器JPA对3D腔transmon进行了single shot读出测量。2、设计、制备和表征了耦合谐振器的超导约瑟夫森参量放大器,实现两个相互耦合谐振器的非简并参量放大,利用SQUID可调特性,实现两个谐振器之间的可控耦合,并对耦合参放谐振系统进行了增益带宽特性研究。实验结果表明,该耦合结构参放可以适应多种pump频率的驱动,不仅可以实现信号的参量放大,还可以实现对输入信号的变频放大。3、基于窄带参量放大器外部传输线与非线性超导约瑟夫森结LC谐振电路之间的阻抗失配,导致参量放大器的带宽受到谐振腔的限制。本文提出了一种利用Si Nx介电层和超导金属极板覆盖在传输线中心导体与参考地上方,加强共面波导线与参考地电容耦合,建立灵活调节阻抗的方法,设计了阻抗渐变匹配的宽带超导约瑟夫森参量放大器。实验结果显示:该结构放大器的增益可达25 d B,带宽接近100 MHz。通过调节工作点,可以在400MHz带宽范围内增益超过17 d B,噪声性能接近量子极限,可满足多比特测量对放大器带宽增益和噪声性能的要求。本论文的研究成果解决了超导量子比特单发高保真非破坏测量方案中对量子极限噪声性能信号放大的关键需求,为超导量子比特多个领域研究的深入开展提供了有力保障。