السلف في أجهزة برمجيات خام مسببة للكميات والبعثات الفضائية العميقة

مقدمة: الثورة الهادئة في ظهير صفر مطلق

وفي سياق متابعة الإشارات المضللة في الكون، تحول المهندسون إلى بيئة متطرفة: البرودة المسببة للبكاء، أما التقدم الأخير في أجهزة التكرير الترددي فتقوم بإعادة تشكيل خطين من أكثر الحدود احتياجا في العلوم الحديثة: الحوسبة الكمي واستكشاف الفضاء العميق، وهذه الأجهزة التي تعمل بدرجات حرارة في حدود صفرية مطلقة، لا تؤدي إلى زيادة الإشارات التي تقاس بشكل نهائي.

لا يمكن الإفراط في تقدير أهمية هذه المضخات، في حساب كمي، يجب أن تُقرأ حالة الحوض الهشّة بدقة شديدة، أي ضوضاء إضافية يمكن أن تنهار الحالة الكميّة أو تُحدث أخطاء، وفي الفضاء العميق، تصل الإشارات من المُسحّل عند حافة النظام الشمسي كهمسات مُغمرة، وغالباً ما تكون مدفونة في الضوضاء الحرارية.

ما هي المضخمات المغناطيسية لجهاز التصوير المقطعي؟

أما أجهزة الإرسال المسببة للصدمات الارتجاعية فهي أجهزة إلكترونية متخصصة مصممة للعمل في درجات حرارة تقل عادة عن 10 كيلوفين (-263 درجة مئوية) وفي هذه درجات الحرارة القصوى، تخفض الضوضاء الحرارية بدرجة كبيرة، مما يتيح للمضخم أن يحقق أرقام ضوضاء تقترب من الحد الكمي الأساسي، وتستخدم هذه المضخمات لتعزيز الإشارات الضعيفة قبل تجهيزها بواسطة أجهزة إلكترونية تعمل بالزمن الحجري، بما يكفل أن تكون النسبة المئوية للمحافظة.

وعلى عكس المضخمات التقليدية التي تعمل في درجة حرارة الغرفة، تُبنى أجهزة التصعيد المبردة بمواد ومقاييس جغرافية تحتمل البرد الشديد، ويستخدم الكثير منها مكونات مؤثرة، مثل مقاطع جوزيفسون، أو أجهزة نقل ذات قدرة عالية على الحركة، تُستخدم على الوجه الأمثل لأداء السطو، ويتوقف اختيار التكنولوجيا على متطلبات التطبيق المحددة، بما في ذلك نطاق الترددات، وأجهزة تحديد النطاق الترددي.

درجة الحرارة ودرجة الحد الأقصى

والمقياس الرئيسي لأي مضخم منخفض الضوضاء هو درجة حرارة الضوضاء التي يعبر عنها في كيلفين، ودرجة الحرارة المنخفضة تعني ضوضاء أقل تضاف، والدرجة الدنيا الأساسية لضخ مضخم غير مرن، هي الحد الكمي، الذي يعادل نصف صورة ضوضاء في تردد التشغيل، وأفضل أجهزة التكرير تعمل اليوم في إطار عاملين أو أقل من هذا الحد، مما يمثل إنجازا هندسيا استثنائيا.

وفي السياق، قد يكون لمضخم تقليدي للغرفة الواحدة درجة حرارة ضوضاء تبلغ عدة مئات من كيلفين، بينما يمكن لمضخم تبريدي جيد أن يحقق درجة حرارة ضوئية تقل عن 5 كيلوفين عند 4 جيهرتز. ويمكن للمضخمات المتماثلة التي تستند إلى مقاطع جوزيفسون أن تدفع هذا إلى أقل من 1 كيلفين، تقترب من الحد الكمي نفسه.

فيزياء التضخيم المنخفض الضوضاء في درجة الحرارة التراكمية

فهم سبب فائدة العملية البكتيرية يتطلب نظرة موجزة على فيزياء الضوضاء الضوضاء الحرارية، المعروف أيضاً بضوضاء جونسون - نيوكويست، تولد عن الحركة العشوائية لحاملي الشحن في أي موصل، وهذه الضوضاء تناسب بشكل مباشر مع درجة الحرارة، وذلك بتبريد مكونات المضخم الأمامية إلى درجات الحرارة المسببة للبكاء، ويخفض المهندسون الحد الأدنى من الضوضاء الحرارية بأوامرات.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن العمليات المسببة للبكاء تُغيِّر سلوك المواد شبه الموصلية، إذ ترتفع حركة الكترونيا، مما يؤدي إلى انخفاض المقاومة وإلى تحسن الأداء في معدلات الترددات العالية، وبالنسبة للمواد التي تعمل بالموجات الخارقة، تهبط المقاومة الكهربائية إلى الصفر، مما يتيح وجود عناصر سلبية لا تُفقد، وتُعدُّل أجسام جديدة تستحيل في درجة حرارة الغرفة.

غير أن العملية المسببة للبكاء تنطوي أيضا على تحديات، إذ يمكن أن يضغط الانكماش الحراري على المواد والاتصالات، كما أن طاقة التبريد المتاحة محدودة، ويجب أن تكون المضخمات مصممة لتبديد الحرارة الدنيا، ويجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل التقلب الحراري المتكرر بين درجة حرارة الغرفة والظروف المسببة للبكاء.

التكنولوجيات الرئيسية التي تُدرِّب في الميدان

وتهيمن ثلاثة أسر رئيسية من المضخمات المبردة لنموذج RF على المشهد اليوم: مضخات مظلات جوزيفسون المتماثلة، ومضخات متماثلة للموجات المارة، ومضخات مكبرات مبردة للأشعة فوق البنفسجية، وكل منها يوفر توازنا مختلفا في أداء الضوضاء، وزوارق النطاق، ومناولة السلطة، والتعقيد التشغيلي.

جوزيفسون مبلِّغات مظلة

وتستخدم أجهزة الاستنشاق شبه المتماثلة في جوزيفسون الموصلات غير الخطية لإحدى أو أكثر من مقاطع جوزيفسون لخلط إشارة المدخلات مع نبرة قوية من الضخ، مما ينتج مكاسب من خلال تضخيم البارامترات، والمزايا الرئيسية منخفضة للغاية، في كثير من الأحيان في حدود قليلة من الحد الكمي، وتستخدم برامج العمل المشتركة على نطاق واسع في التجارب الكمية لتحديد الكميات من أجل قراءة الكميات الزائدة.

وعادة ما تقدم برامج العمل المشتركة مكاسب كبيرة (20-30 د ب) على نطاق ضيق نسبيا (وتتراوح بين مئات الميغاهرتز) وتحتاج إلى نبرة قوية من مضخات الموجات الدقيقة ومطابقة دقيقة للأنفلاط، وتشمل التطورات الأخيرة تطوير برامج العمل المشتركة المشتعلة بالتدفقات، التي توفر قدرة أكبر على التكتم، وبرامج العمل المشتركة المتداخلة مع المارقة التي تقلل الحاجة إلى أجهزة الوصل الخارجية والموصلات.

ومن بين الابتكارات الملحوظة، مضخم صفيفة جوزيفسون للربط، الذي يستخدم سلسلة من الأوامر الزجرية لزيادة النطاق الدينامي وضمادات النطاق مع الحفاظ على الضوضاء المنخفضة، وهذه الأجهزة تنتقل من الفضول المختبرية إلى عناصر موثوقة ومحزمة مناسبة للاندماج في نظم أكبر.

أجهزة تكييف ذات مواصفات متماثلة

تغلبت أجهزة الاستنشاق المظلة على نطاق الترددات المتوازية من برامج العمل المشتركة عن طريق استخدام خط نقل محمول بموجات جوزيفسون، وينبئ الضخ وجهاز الإشارة المشتركة على طول الخط، مما يخلق مكاسب من خلال تفاعل متماثل مستمر، ويمكن أن تحقق برامجيات الترددات المتوسطة الحجم ما يتجاوز 10 جيهرتز، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي يلزم فيها التغطية بتواتر واسع.

كما توفر وكالات الاتصال التقني قدرة أعلى على التشبع مقارنة بالأجهزة المشتركة، وهو أمر هام لمعالجة الإشارات القوية أو قنوات التردد المتعددة في آن واحد، ولا يزال أداء الضوضاء ممتازاً، عادة في إطار عاملين من الحد الكمي.

ويتمثل التحدي الرئيسي في عمليات التجهيز والانتاج في تعقيد التفريغ وضرورة مراقبة دقيقة لبارامترات التقاطع على طول خط النقل، وقد أدت التطورات في تقنيات التكاثر الجزئي إلى جعل هذه الأجهزة أكثر قابلية للتكاثر وقابلية للتطبيق تجاريا في السنوات الأخيرة.

أجهزة التضخيم المسببة للسرطان

وقد كان مضخم مضخات عالية القدرة على الحركة جهازاً من أجهزة التكفير المبردة لعدة عقود، وتقوم هذه الأجهزة شبه الموصلة على مقاطعات من أرسينيد الغاليوم أو فوسفيدي الغدد الصماء، وتقدم أداءً ممتازاً للضوضاء في درجات الحرارة المسببة للبرد دون أن تتطلب عناصر موصلة خارقة.

ويحقق المضخمات الحديثة المسببة للاختلالات الحرارية الحرارية درجة حرارة ضوضاء تتراوح بين 2 و5 كيلوفين في نطاق التردد 4-8 جيهرتز، حيث تتجاوز معدلات الترددات الفوقية في الأوكتار، ويمكنها معالجة مستويات أعلى من الطاقة الكهربائية في المدخلات مقارنة بمضخات البارامترات ولا تتطلب نبرة مضخة تعمل بالموجات الدقيقة، مما يبسط تكامل النظام.

وتستخدم أجهزة التضخم التي تستخدم في أجهزة التزود بالأشعة فوق البنفسجية على نطاق واسع في علم الفلك الراديوي، والاتصالات الفضائية العميقة، والتجارب الحاسوبية الكميّة في المراحل المبكرة، وتركز البحوث الجارية على تحسين أداء الضوضاء في الترددات الأعلى (مثلا 30 إلى 100 غيغاهيرتز) وتقليص استهلاكها من الطاقة، وهو عامل حاسم بالنسبة للبعثات الفضائية التي تكون فيها موارد أجهزة التبريد محدودة.

تطبيقات في حاسوب الكينتوم

حاسبة الكينتوم هي أكثر الطلبات طلباً للكميات المبردة من أجهزة الإصدار الترددي، العملية الأساسية لقراءة حالة الكوبت المُنتج يتطلب قياس إشارة ضعيفة جداً بالموجات الدقيقة مع ضوضاء إضافية ضئيلة، أي ضوضاء زائدة يمكن أن تنهار حالة الحوض قبل اكتمال القياس، وتقليص النزعة، والحد من أداء المُعالجة الكميائية.

قراءتها وحيادها

وفي أكثر مخططات القراء شيوعاً للمواقف التي تُنتج عن طريق التصريف، تُرسل إشارة الموجات الدقيقة إلى جهاز للفحص يقترن بفصل في الحوض، وتُحوّل دولة الكوبت التردد المتردّد الذي يمكن اكتشافه كتغيّر تدريجي أو كميّ في الإشارة المُرسلة أو المُنعكسة، ويجب أن تظل قوة الإشارة المستخدمة في القراء منخفضة لتجنب إضعاف الإشارات إلى دولة متحف.

ويتيح هذا المستوى من الأداء الأساسي للبروتوكولات الإصلاحية للخطأ، ولا سيما برامج العمل المشتركة واتفاقات العمل المتعلقة بالاختبارات، إمكانية تجاوز نسبة 99 في المائة من قيمة القراء، وهذا المستوى من الأداء ضروري بالنسبة لبروتوكولات تصحيح الأخطاء التي تتطلب قياسات عالية القيمة متكررة على العديد من الكميات، وبدون تكديس منخفض، سيكون تصحيح الخطأ الكمائي أمرا غير عملي.

ويقود الاتجاه نحو المجهزات الكميائية الأكبر حجماً الطلب على المضخمات التي يمكن أن تعالج ترددات متعددة في وقت واحد، حيث يصبح النطاق الواسع النطاق لاتفاقات التجارة العالمية قيمة للغاية.

التحديات والحلول

ومع تزايد المجهزات الكمية من عشرات الأكواخ إلى مئات أو آلاف، فإن عدد قنوات القراء يزداد تبعا لذلك، وكل قناة تتطلب سلسلة مكبرات خاصة بها، بما في ذلك المجهزون والممرسون والمضخم نفسه، مما يخلق تحديات كبيرة للإدارة الحرارية والأسلاك داخل مركز التكفير.

وتشمل الابتكارات الحديثة تطوير هياكل متعددة القراء، حيث تتقاسم عدة مقادير مضخمة واحدة من خلال تعدد الترددات، مما يقلل عدد المضخمات المطلوبة ويبسط الأسلاك المسببة للبرد، وقد أظهرت عدة أفرقة بحثية قراءتها من 10 إلى 20 كيلو مترا باستخدام أداة واحدة لبرمجيات العمل التقني، مع خطط لتبلغ 100 أو أكثر.

وثمة نهج آخر يتمثل في إدماج أجهزة التكفير المبردة مباشرة على نفس رقاقة القمح، باستخدام عمليات الاختلاق المشرفة، مما يزيل الحاجة إلى الكابلات الفاخرة بين رقاقة القمب والمضخم، ويقلل من الخسائر ويحسن سلامة الإشارات، ويتقدم ميدان الدوائر المتكاملة الكمية بسرعة، مع أجهزة التصفير والمصفحات، ويخضع جميع النسيجات.

التطبيقات في بعثات الفضاء العميق

وتطرح بعثات الفضاء العميق مجموعة مختلفة من التحديات، إذ أن الإشارات من المركبات الفضائية في المريخ أو المشتري أو زحل أو ما بعدها تخفف بمسافات شاسعة، وكثيرا ما تصل إلى قوى مقاسة في النفايات (10-18 W). ويستلزم تلقي هذه الإشارات، على نحو موثوق، أكثر المضخمات حساسية، وكثيرا ما يقترن ذلك بآفات كبيرة من الشواذ.

استقبال الإشارة من المسابر الخفية

تستخدم شبكة الفضاء العميق التابعة لوكالة ناسا هوائيات كبيرة في ثلاثة مواقع حول العالم للتواصل مع المركبات الفضائية المشتركة بين الكواكب، وتبرد أجهزة استقبال هذه الهوائيات في البداية إلى درجات حرارة مبردة للتقليل من الضوضاء إلى أدنى حد.

وقد أدخلت تحسينات حديثة على شبكة دي إس إن مضخات جديدة للبكتيريا مع تحسين الأداء، فعلى سبيل المثال، أدى استخدام تكنولوجيا التحلل المائي العالي التحلل إلى انخفاض درجات الضوضاء في النطاقات الكهرمائية (32 جيهرتز) إلى أقل من 20 كيلوفين، مما أتاح ارتفاع معدلات البيانات من مساحات الفضاء العميقة، وهذا أمر مهم بوجه خاص بالنسبة للبعثات مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي وبعثات المريخ المستقبلية للعين، مما يولد كميات كبيرة من البيانات العلمية.

مهمة اليوروبا كليبر، التي تم تحديدها لاستكشاف قمر المشتري، ستعتمد على المضخمات المبردة لنقل البيانات إلى الأرض من النظام الشمسي الخارجي، ويجب أن تعمل المضخات بشكل موثوق لسنوات في بيئة غنية بالإشعاع، وتتطلب عبوة قوية واختيارا دقيقا للمواد.

دور أجهزة الاستنشاق بالأشعة في علم الفلك

علم الفلك الراديوي هو أساسا علم استقبال إشارات إذاعية غير متقنة من مصادر الكونية مثل البلازما والزرار والإشعاع الكوني المجهري للمايكرويف، وهذه المبادئ هي نفس نوع الاتصالات الفضائية العميقة، ولكن الإشارات أضعف، وتتراوح الترددات بين عشرات الميغاهرتز ومئات الجيغارتس.

وتعتمد مرصدات مثل جهاز القياس الكبير/المليتر الفرعي (ALMA) ومقراب البنك الأخضر على صفائف أجهزة الاستلام المبردة التي تبرد إلى 4 كيلفين أو أقل، وتستخدم هذه الأجهزة أجهزة التزود بالأشعة فوق البنفسجية وتحلل أجهزة التكرير شبه المتماثلة، تبعاً لحجم الترددات، وقد أتاح التطور الأخير لأجهزة الاتصال السريع إمكانيات جديدة لمراقبة الإنتاج المتعدد الآفاق في آن واحد.

وفي مجال علم الفلك الراديوي والتواصل الفضائي العميق، يؤدي الاتجاه نحو ارتفاع الترددات (مثل 100 غيغاهيرتز وما فوق) إلى تطوير تكنولوجيات جديدة للمضخمات، بما في ذلك أجهزة الاستنشاق شبه الموصلات الحركية والمضخمات المحدودة الكمية القائمة على أجهزة قياس مجهرية تعمل على الصقل.

التحليل المقارن: برامج العمل المشتركة، وبرامج العمل، وأجهزة القياس المتطورة

ويتطلب اختيار المضخم المبرد الصحيح لتطبيق معين موازنة عدة عوامل، ويقدم الجدول أدناه مقارنة موجزة للتكنولوجيات الرئيسية الثلاث.

Parameter	JPA	TWPA	Cryogenic HEMT
Noise performance	Near quantum limit	Near quantum limit	2-5 Kelvin noise temp
Bandwidth	Narrow (10-500 MHz)	Wide (1-20 GHz)	Wide (1-10 GHz)
Power handling	Low (nW scale)	Moderate (pW to nW)	High (nW to μW)
Pump requirement	Yes	Yes	No
Fabrication complexity	Moderate	High	Low to moderate
Primary applications	Qubit readout	Multiplexed readout, radio astronomy	Deep space, radio astronomy, general-purpose

وفيما يتعلق بتطبيقات الحاسوب الكمي التي تتطلب أعلى درجة ممكنة من التوثيق، تظل برامج العمل المشتركة الخيار المفضل رغم نطاقها المحدود، أما بالنسبة للطلبات التي تتطلب عرضاً واسعاً وتعقيداً أقل، فإن برامج العمل التقني أصبحت أكثر جاذبية، أما بالنسبة للبعثات الفضائية العميقة وعلم الفلكي الراديوي حيث تكون الموثوقية ومناولة الطاقة فيها ذات أهمية قصوى، فإن أجهزة القياس العالي التحلل المبردة لا تزال تهيمن على هذه المجالات.

المستقبل

ومجال التوسع في إطار الإبلاغ المبرد بعيد المنال، ومن المرجح أن تؤدي عدة اتجاهات بحثية واعدة إلى تقدم كبير في السنوات القادمة.

التضخيم الكمي - الترهيب

والهدف النهائي للعديد من التطبيقات هو مضخم لا يضيف أي ضوضاء على الإطلاق، ويعمل بالضبط عند الحد الكمي، أما اتفاقات الشراكة الجديدة الحالية واتفاقات التجارة الدولية فهي قريبة جدا، ولكنها لا تزال تضيف جزءا صغيرا من صورة ضوضاء بسبب خسائر في خطوط التقاطع والنقل، ويستكشف الباحثون مواد جديدة مثل نيتريد النيوبيوم وأكسيد الألمنيوم، يمكن أن تقلل من هذه الخسائر الأخرى.

وثمة نهج آخر يتمثل في استخدام أجهزة مضخة شبه قياسية مراعية للتطور، يمكن من حيث المبدأ أن تحقق ضوضاء مضافة صفراً، وذلك بتضخيم كمية واحدة فقط من الإشارة بينما تضغط على الأخرى، وقد برهنت هذه الأجهزة في المختبر ولكنها لا تزال معقدة للعمل والتنشيط.

التكامل مع الإلكترونيات المتفوقة

والرؤية النهائية لحوسبة الكمي هي نظام متكامل تماما حيث توجد في جميع المناطق، والمضخمات، والتحكم في الإلكترونيات على رقاقة واحدة مسببة للبكاء، مما سيزيل الرؤوس الزائدة والأسلاك التي تحد حاليا من إمكانية التصعيد، وتعمل أفرقة البحوث في مؤسسات مثل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والشبكة الدولية للتبادل على إقامة دوائر متجانسة تجمع بين أجهزة التزيين التي تعمل بنظام جوزيفسون مع صفائف الكبريت.

وبالنسبة للتطبيقات الفضائية العميقة، يمكن أن يؤدي التكامل إلى وحدات أصغر حجماً من أجهزة استقبال أخف تتطلب قدراً أقل من التبريد، مما يجعلها مناسبة للمركبات الفضائية الصغيرة أو لأجهزة الطبخ، ويمكن أن تُختلق على رقاقة واحدة باستخدام تكنولوجيا التخدير السطحي.

أجهزة كاتبة فضائية - طراز Grade

فالكمبيدات هي نفسها جزء من النظام فحسب، فهي تتطلب من المبردات الموثوقة الحفاظ على درجات الحرارة المنخفضة اللازمة، وبالنسبة للبعثات الفضائية، يجب أن تكون هذه المبردات متماسكة وفعالة وقادرة على العمل لسنوات دون صيانة، وقد أتاح التقدم في أجهزة التبريد بالبعوض وأجهزة التبريد المتحركة تحقيق درجات حرارة تقل عن 10 كيلوفين مع تجاوز العمر 10 سنوات.

كما أن التطورات الجديدة في العزلة اليقظة والإدارة الحرارية هامة أيضا، حيث أن الاهتزازات الميكانيكية من المبردات يمكن أن تُحدث ضوضاء في الأداء المضخم والمتدهور، وقد أظهرت عدة بعثات، بما فيها الساتل بلانك والمقعد الفضائي جيمس ويب، أن أجهزة الاستقبال المبردة ذات الأداء العالي يمكن أن تعمل بشكل موثوق في الفضاء لمدة طويلة.

ارتفاع الترددات واتساع نطاق الترددات

ونظراً إلى أن الحواسيب الكميّة وعلم الفلك الراديوي يدفعان إلى ارتفاع الترددات (مثل 100 جيهرتز وما فوقه)، فإن الطلب على أجهزة التكفير الخفية العاملة في هذه الفرق آخذ في الازدياد، وتصبح تكنولوجيا التخصيب التقليدية أقل فعالية في الترددات العالية جداً، كما أن أجهزة التكفير شبه المقياسية أكثر صعوبة في تصميمها.

وفي مجال الفضاء العميق، تستثمر ناسا وغيرها من وكالات الفضاء في تطوير أجهزة استقبال مبردة ذات النطاق الترددي الكاكاوي والكمبيولوجي، يمكن أن تدعم معدلات البيانات لمئات الميغابيتات في الثانية من المريخ وما بعده.

خاتمة

إن أجهزة الاستنشاق المسببة للصدمات المسببة للتآكل هي تكنولوجيا تمكينية حيوية لاثنين من أكثر الحدود إثارة في العلم والهندسة، وفي حساب الكمي، توفر القراء المنخفضة الدقة التي تجعل قياسات الكبوز عالية القيمة ممكنة، وتؤثر مباشرة على المسار نحو مجهزات كمية تحمل الأخطاء، وفي استكشاف الفضاء العميق، تتيح لنا تلقي إشارات من أبعد المعالم العلمية، أي من حيث النطاقات العلمية للشبكة الشمسية.

ويتقدم الميدان بسرعة، مدفوعاً بالابتكارات في المواد، والاختلاق، وتكامل النظم، وتعتمد التكنولوجيات الرئيسية الثلاث التي يصفرها نظام جوزيفسون شبه المتماثل، ومضخات المظلات المتناظرة للموجات، ومضخات التحلل المسببة للاختلالات المتوسطة، على ما يمكن أن يكون لكل منها من مواطن قوة، ويتوقف الاختيار بينها على الاحتياجات المحددة للتطبيق، ويتطلع إلى المستقبل، الاتجاه نحو الأداء المحدود كميا، والدوائر المبردة المتكاملة، والدوائر.

وبينما نقف على مجموعة من الحسابات الكمية العملية وعهد جديد من الاستكشاف بين الكواكب، فإن الثورة الهادئة التي تحدث داخل الحكام في جميع أنحاء العالم، وهي درجة تفوق الصفر المطلق، تستحق اهتمامنا، وهذه المضخمات، التي تعمل بأعمق البرد، تساعدنا على رؤية الكون بشكل أوضح وأكثر كفاءة من أي وقت مضى.