وتحوّل التطورات الأخيرة في المحولات الوبائية من نوع إلى رقمي متغيرات مشهد الاستشعار الكمي والفيزياء المنخفضة الحرارة، وتخفض هذه الأجهزة بدرجة كبيرة من الضوضاء الحرارية وتتيح قياس مدى القدرة على إحداث الاحترار بالأجهزة الالكترونية التقليدية ذات الحرارة الزمنية، وتنتج عن ذلك تحسينات في تحويل الإشارات إلى أجهزة قياسية ذات طابع خامي.

أساسيات البلدان النامية المسببة للمرض

وتُستخدم المحولات من نوع التناظر إلى الأرقام في الإلكترونيات الحديثة، وتترجم الإشارات المادية المستمرة إلى قيم رقمية مفصَّلة، وفي البيئات المسببة للبرد، يتمثل التحدي في الحفاظ على درجة عالية من التحلل والسمية بينما تُبرد المكونات الإلكترونية إلى درجات حرارة قليلة من كيلفين أو حتى مِنْ المِلْكِلِف، وتعاني البلدان النامية المتَّردِّدة على أساس الارت من زيادة الضوئية وانخفاض في الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة.

وتتمثل الميزة الرئيسية للعملية المسببة للبكاء في الانخفاض الهائل في الضوضاء الحرارية التي ترتفع درجة الحرارة المطلقة بين جونسون ونيوكيست، وبالنسبة لزوارق معينة، تنخفض كثافة الضوضاء من حيث الحجم عندما تنخفض درجة الحرارة من 300 كيلو إلى 4 كيلو أو أقل، مما يتيح معدلات أعلى بكثير من الإشارات إلى الأرقام الأساسية ويمكِّن من الكشف عن الاشارات ذات الحجم الكبير.

الحد من الضوضاء وتحقيق القدرة على الحساسية

والضوضاء الحرارية هي مصدر الضوضاء المهيمن في معظم هياكل البلدان النامية الجزرية، وفي حالة وجود تسارع حراري في جهاز أخذ العينات، وفي جهاز المقارنة، يحد من عدد القطع الفعلي (الإنوب) ويحد عامل الضجيج الذي يُحدثه كل تجمعات البلدان النامية، من انخفاض عدد الضجيج إلى نحو 0,3 في المائة في حالة حدوث انخفاض في عدد الضوضاء التي تبلغ طولها 4,5 في المائة.

ومن الناحية العملية، فإن مصادر الضوضاء الإضافية مثل ضوضاء الشعلة وضوضاء الكمي، ولكن عملية التبريد يمكن أن تخفف من ضوضاء المغازلة في بعض الدوائر التي تعمل بشكل مفرط، وتسمح التحسينات الشاملة في الحساسية بوضع البلدان الجزرية الصغيرة النامية عن كثب في أجهزة الاستشعار المسببة للبرد، وتخفض طول الاتصالات المدوَّنة وتخفف من تردي الإشارات، وهذا القرب ضروري لتطبيقات مثل الكم، حيث يجب أن تكون الإشارات من الكبلوغ.

Superconducting Electronics for ADCs

ويعتمد معظم البلدان النامية المبردة على مواد مؤثرة مثل النوبيوم (Nb)، أو نيتريد النيوبيوم (NbN)، أو أكسيد النحاس الالي للنحاس الاليين (YBCO) للموصلات الخارقة ذات الحرارة العالية، وتظهر الموصلات الخارقة مقاومة الصفرية ويمكنها تحمل تيارات ثابتة، مما يجعلها مثالية لتجهيز الإشارات المنخفضة الفقد.

SQUID-Based ADCs

وهذه المقاييس هي أكثر المغنطيسيات حساسية المعروفة، وقادرة على كشف تغيرات التدفق المغناطيسي كصغرة كقطعة من التدفق الكمي (الحجم الفلوري) (الحجم 2-07 × 10-15 دبليوب) وفي إطار الحد الديناميكي للترددات العالية الترددات في الترددات العالية الترددات، تتحول هذه الصورة إلى تدفُّق مغناطيسي، ثم تُحدَّد كمية من خلال زيادة عدد الترددات الرقمية.

وبالنسبة لتطبيقات الاستشعار الكمي، فإن البلدان الجزرية الصغيرة النامية ذات قيمة خاصة لأنها تستطيع أن تربط مباشرة بأجهزة الكشف عن المبردات مثل أجهزة الاستشعار التي تعمل بالانتقال والميكلورية المغناطيسية دون الحاجة إلى تضخيم وسيط، فمثلاً، كثيراً ما يستخدم قراء مجموعة من أجهزة الاستشعار الأشعة السينية جهازاً متعدداً يستخدم جهازاً للتصوير المزود بمقياس للجرعات يحتوي على وظيفة من أجهزة التكلور المتزامنة.

RSFQ-Based ADCs

ويستخدم منطق وحيد الكمال السريع الفلور الفلور المغناطيسي الكم في حلقات التخدير الخارق لتمثيل القطع الرقمية، وعادة ما تحول شركة RSFQ ADC فولتاجاً مكافئاً إلى قطار من النبضات الفولطية، كل منها يمثل كمية التدفق، ثم تعد تلك النبضات في منضدة رقمية.

وقد حققت البلدان النامية الحديثة ذات القاعدة المنخفضة جدا قرارات ذات اتجاه واحد تتجاوز 10 نقاط فعالة في معدلات أخذ العينات لعشرات من العينات في الثانية، ويجري نشر هذه الأجهزة في أجهزة استقبال لاسلكية - فلكية حيث يمكن أن يتجاوز عرض النطاق الترددي للإشارة 10 جيهرتز، مما يتيح رقمنة مباشرة للتردد المتوسط دون مزايا تنازلية، ويقل تعقيدها وتحسن خطاها مقارنة بالمجموعات التقليدية.

دوائر مسببة للسرطان: نُهج موحّدة ومهجنة

ولإدراك الإمكانات الكاملة للبلدان الجزرية الصغيرة النامية المسببة للبرد، يقوم الباحثون بدمج عناصر متعددة من الدوائر - مختصرات، ومصفوفات، ومزودات متعددة، وتجهيز رقمي - على رقاقة واحدة أو وحدة نموذجية واحدة، وقد برزت استراتيجيتان للتكامل الأولي: دوائر هندسية متحركة ونظم هجينة تجمع بين الوصلات الأمامية المسببة للأشعة المبردة مع التخلف الرقمي للأشعة السيموزنية.

Monolithic Superconducting Integration

أما التكامل الاحتكاري فيشمل نسيج كل الميكروفون، بما في ذلك منطق التحويل المشابه إلى الرقمي وأحياناً مجهز الإشارات الرقمية، باستخدام عملية اختلاق موصلات خارقة، حيث أن أكثر المؤسسات تقدماً (مثل عملية معامل لينكولن SFQ5ee، وعملية نيوبيوم IMEC) تتيح للأجهزة المقاومة للتشغيل متعددة الطوابق.

النظم الهيدروجينية الهجينة

وفي العديد من النظم العملية، تتضارب الحاجة إلى التجهيز الرقمي المعقد (مثلاً، التصفيف، تصحيح الأخطاء) مع ميزانية الطاقة المحدودة وصعوبة تنفيذ منطق الترددي الكبير، ويضع النهج الهجيني الذي يُنتجه مركز البيانات الدولي في نفس المرحلة الباردة التي يعمل بها جهاز الاستشعار الكمي، بينما يتعامل نظام الترميز الآلي مع الرقم القياسي لأسعار الاستهلاك المنخفض.

تطبيقات في تكنولوجيات الكينتوم

والقدرة على رقمنة الإشارات مباشرة عند درجات الحرارة المبردة هي تحول بالنسبة للحساب الكمي والاستشعار والميثرولوجيا، ويفرض كل تطبيق متطلبات محددة على هيكل التعاون التقني فيما بين البلدان النامية، وسلسلة النطاق، وحلها، وتفكك الطاقة.

كمية حواسيب

وفي مجهزات الكميونات المجهزة، تُقرأ الكميات عادة عن طريق قياس مدى اعتماد الدولة على جهاز قراء الموجات الدقيقة، وتُضخ الإشارة المُرسلة إلى مضخم مظلة جوسيسون (JPA) أو مضخم مظلة مظلة مظلة للصوت المُستخدم في أجهزة قياس التردد (TWPA) ثم تُحول إلى بضع مئات من أجهزة التصحيح ذات الترددات المتوسطة (Cryogenic A).

عدد أجهزة الاستشعار: TES و MKID Arrays

وتستخدم أجهزة الاستشعار ذات الأشعة المتطورة والموجات الدقيقة في الفيزياء الفلكية، وكشف المواد المظلمة، وأجهزة التصوير بالأشعة السينية، وهي تنتج نبضات صغيرة تُقرأ من قبل صفائف SQUID، ثم يتم رقمنة ناتج SQUIDS.

القياس الكمي والمعايير الأولية

وفي المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، تستخدم أجهزة التكييف المسببة للكميات في تطبيق معايير الفولط الكمي على صفائف التقاطع التي يقوم عليها جوزيفسون، وبجمع معيار فولتاج قابل للبرمجة جوزيفسون مع نظام رقمي للقراءة، يمكن لهذه النظم أن تولد وتقيس فولتات بدقة أكبر من جزء واحد في 109، ويجب أن تعمل شركة ADC في هذه النظم في درجات حرارة مبردة بحيث تكون قريبة من الناحية المادية.

تحديات ومواد التكاثر

وعلى الرغم من الأداء المثير للإعجاب، فإن البلدان الجزرية الصغيرة النامية المسببة للاختلالات تواجه عقبات كبيرة، فالكثافة الحالية الحرجة والوحدة وإعادة إنتاج أوامر جوزيفسون عبر وورشة يجب أن تخضع للمراقبة الصارمة لضمان الأداء المتسق لأجهزة الحفر، ويمكن أن تؤدي التقلبات في منطقة الزلازل أو سميك الحاجز إلى إحداث تغييرات في عمق العزلة في قاعدة SQUID، والتسلسل الهين.

كما أن اختيار المواد أمر بالغ الأهمية، إذ أن الزوابق النيبيومية تعمل عادة عند 4 كيلو مترات، ولكن بالنسبة للتطبيقات عند درجات حرارة المطاحن، يلزم وجود مواد مختلفة مثل الألومنيوم (الخام) أو الفاناديوم (V) لتحقيق الفجوة الفوقية المنشودة، أما مقاطعات النينب أو النفق فهي شائعة بالنسبة لدرجات حرجة أقل، ولكنها تقل الكثافة الحالية للروبوت.

فالإدارة الحرارية هي تحد آخر، فالأسلاك بين أجهزة التحلل المبردة والإلكترونيات التي تعمل في الغرفة تتحول إلى مرحلة باردة، مما يتطلب تدنيس حراري دقيق بواسطة الكابلات المسببة للبرد والبالوعة الحرارية المتخصصة، ويجب أن يُدرج في الميزانية تفكك الطاقة داخل الشركة نفسها، وإن كان صغيرا، لتجنب رفع درجة حرارة بيئة الاستشعار، وهذا أمر بالغ الأهمية بالنسبة لأجهزة الاستشعار الكمي العاملة تحت 100 مليون كحول،

مقارنة مع البلدان الجزرية الصغيرة النامية

والسؤال المشترك هو ما إذا كان يمكن استخدام مركز البيانات المخصص لغرفة العمل العالي في الخارج مع التبريد المناسب، وفي حين أن هذا الإنشاء أبسط، فإن الكابلات الطويلة اللازمة لربط جهاز الاستشعار البارد بالرقم القياسي للثديين الدافئ تنطوي على خسارة وضجيج كبيرين، وفي الترددات الدقيقة، يمكن أن تتجاوز سرعة التكرير ١ × ٤ كيلو متر، فضلا عن الضوضاء الحرارية التي تبث من الكابلات نفسها.

الروابط الخارجية والقراءة الإضافية

وتوفر الموارد التالية عمقا تقنيا إضافيا بشأن تطوير التعاون التقني فيما بين البلدان النامية المسببة للبرد:

التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية

إن مسار تطوير التعاون التقني المسبب للبرد هو نحو زيادة عرض النطاق الترددي، وانخفاض القوة، وزيادة التكامل مع النظم الكمية، وهناك عدة مسارات بحثية واعدة آخذة في الظهور:

الأداء الكمي - الترهيب

ويأمل الباحثون، باستخدامهم أجهزة الضخ شبه المتماثلة التي تستخدمها جوزيفسون، كطور ما قبل المصادقة على الاتفاق، في الوصول إلى الحد الأقصى للضوضاء الكمي عند المدخلات، مما سيتيح الكشف على مستوى واحد عبر نطاق واسع، ويضم برنامج عمل مشترك مع شركة SQUID ADC على شريحة واحدة، وهو مجال نشط من مجالات البحث.

التغذية الرقمية وإصلاح التوقيت الحقيقي

ومن شأن إدماج تجهيز الإشارات الرقمية مباشرة على الرقاقة المسببة للبرد (استخدام الترددات المبردة أو النظام المتطور للأرصاد الجوية) أن يتيح التصفيات في الوقت الحقيقي، وتصحيح الأخطاء، والتغذية المرتدة إلى جهاز الاستشعار، وهذا أمر مهم بصفة خاصة بالنسبة للحساب الكمي، حيث يلزم قياس وإعادة تحديد الكميات بسرعة من أجل تشغيل المسببات للتسامح.

أعلى درجة حرارة

ويمكن للعمل في مجال الموصلات الخارقة ذات الحرارة العالية )مثلاً، منظمة التعاون العالمي( أن يسمح للبلدان النامية المسببة للبكاء بالعمل في الساعة ٤٠-٧٧ كاف، وتبسيط متطلبات التبريد وخفض التكلفة، وفي حين أن المقاطع التي تقوم بها المنظمة لا تزال لديها عوامل نوعية أقل من النيوبيوم، فإن التقدم الذي أحرز مؤخراً في تكنولوجيا التقاطع البكتري يعد واعداً لتطبيقات شركة ADC.

3 دال - التكامل والتغليف

وسيمكن تركيب رقائق متعددة من الموصلات الفائقة ورقائق البرمجيات المتحركة بواسطة دمج 3D (عبر قوارير السيليكون، والمضخات الدقيقة) من استخدام أجهزة التصنت الكثيفة المتعددة القنوات ذات الحد الأدنى من الترابط، وهذا أمر أساسي لرفع عدد المجهزات الكمية إلى آلاف الكميات، وكل منها يحتاج إلى قناة مختصرة للقراءة.

خاتمة

وتمثل المحولات الناجمة إلى الشكلية تكنولوجيا تمكينية حيوية للجيل القادم من أجهزة الاستشعار الكمي، والحواسيب الكمية، وأدوات القياس ذات الطابع المتوسط، وأجهزة قياس درجة الحرارة المنخفضة، وبتخفيض الارتداد، وفوائد الضوضاء المتأصلة في العمليات المسببة للبرد، فإن هذه البلدان تحقق قياسات للأداء لا يمكن أن تكون قابلة للتأثر بالتصميمات الإلكترونية التقليدية لدرجات الحرارة.