פריצות דרך האחרונות במגירים אנלוגיים-דיגיטליים (ADCs) מממשות את הרגישות ואת נאמנותם של מדידות במחקר הקוונטים-לפיזיקה יסודית (ADCs) על ידי הפעלת טמפרטורות ליד אפס מוחלט, אלה ADCs מיוחדים להתגבר על מגבלות רעש תרמיות כי יש היסטורית הגנה על זיהוי של אותות תת-אטומיים.

מימון של אנליסט Cryogenic Analog-to-Digital Conversion

למה טמפרטורות Cryogenic?

בטמפרטורת החדר, רעש תרמי - ביטוי כמו FLT:0kektureFLT ( 1Bibph:2TFLT 3: 3) - מציין את אותות החשמל הדקים המיוצרים על ידי מערכות קוונטיות. Cooling הסביבה ADC ל-4 K או מתחת (התיקים לכידתיים עבור נוזל helium או dilution מקרר) מקטין את רצפת הרעש באופן דרמטי.

אתגרים של ADCs בטמפרטורות נמוכות

ADCs מבוסס סיליקון חווים השפלה חמורה כאשר קריר מתחת 77 K. נשא להקפיא את המוליכים למחצה doped מגביר את הדחף, להפחית את הרווחים, ומציגה אי לינאריות.בנוסף, כוח מתפזר בתוך ADC יכול לחמם את ה- Cryostat, destabilizing אותות רגישים. Cry ADCs להתגבר על נושאים אלה על ידי שימוש superconducting ג'וזףסון ואפקטים נמוכים אחרים לבצע אפקטים מכניים נוספים של חוסר יכולת שימוש (למשל) עם רמות נמוכות יותר של מתחמיית של מתחמי לחץ דם נמוך יותר של חשיפה נמוכה יותר של מתחמיית של מתחמיים (למשל, כלומר, כלומר, 000) עם רמות נמוכות יותר של מתחמיית של מתחמיית של מתחמייתות לחץ דם מגנטיות לחץ דם נמוך יותר של מתחנן) עם אפקטים מכנית של רעש נמוך יותר של דיכאון (למשל, הגדלת אותות מכנית של רעש נמוך יותר.

ביצועי מפתח

פרמטרים קריטיים עבור ADCs Cryogenic כוללים מספר יעיל של ביטים (ENOB), קצב דגימה, טווח דינמי ללא עוררין (SFDR), ו Jitter מכשירים אחרונים להראות ENOB מעל 10 סיביות ב 20 GHz GHz sampling, עם SFDV יותר מ 70 dB. , מדדים אלה חיוניים עבור sum ensing שבו ניתן לשמור על אנרגיה נמוכה כמו 10 LTFlasto השני צורך LTo) 1 LTo השני (פרק 2)

אדריכלות ADC

צומת ג'וזףסון - ADCs

(השנייה הלוגית של פלוקס) היא הבסיס של רבים מכונים ADCs. ב RSFQ טכנולוגיה, מידע דיגיטלי הוא נשא על ידי הדופקים של מתח קוונטי (fluxons) שנוצר על ידי צומת ג'וזףסון 3. An RSFQ ADC פועל על ידי המרת אות אנלוגי לזרם של הדופקים אלה אשר תדירותם ביחס למתחים של קליפורניה ודה דיגיטלית לאחר מכן יש צורך ב- 12F3.

SAR ו-Pipelined Superconducting ADCs

קידוד חיזוי מוצלח (SAR) ואדריכלות צינורות כבר מותאמים גם לפעולה Cryogenic. Superconducting SAR ADCs להשתמש קידודים מצפיפות שנעשו מצומת ג'וזףסון כדי לבצע חיפוש בינארי, בעוד גרסאות צינורות צינורות להשתמש שלבים פלאש עם מקבילה מופחתת.ה היתרון של עיצובים אלה הוא מורכבות נמוכה יותר ומספר מופחת של צומת, אשר משפר A דוגמה בולטת הוא × 8C של CMS רזולוציה של פחות CMOS.

השוואה של גישות

RSFQ ADCs מציעים את המהירות הגבוהה ביותר ואת ליניאריות אבל דורש יותר צומת ותזמון מדויק. SAR / pifined עיצובים הם יותר קומפקטי וקל יותר כדי לייצר אבל עלול לסבול משיעורי דגימה נמוכים יותר.מערכות עתידיות עלולות לשלב הן גישות אדריכלות היברידית, כגון חזית RSFQ כי להאכיל חזרה דיגיטלית עבור המרה בצורת רעש.

חומרים ופרסום מתקדמים

Niobium ואלומיניום Superconductors

סוסי העבודה של ייצור ADC Cryogenic הם niobium (Nb) ואלומיניום (אל) Niobium מציג טמפרטורה קריטית של 9.2 K, מה שהופך אותו מתאים לפעולה ב- helium Cryostats. ג'וזףסון נוצרים על ידי כריכת בלוק אלומיניום דק של מודולים חד חמצני בין שני אלקטרודות niobium.

חומרים מתעוררים: Graphene ו High-Tc Superconductors

עבור יישומים הדורשים הפעלה מעל 4 K, צומתי YBCO יש טמפרטורות קריטיות מעל 77 K, המאפשרים ADC פעולה זול יותר כיביום נחושת (YBCO) נחקרים. YBCO צומת יש טמפרטורה קריטית מעל 77 K, המאפשרת ADC פעולה זול יותר Cryocer: גרף של צומת שדה אמין YBJJJose עדיין מאתגר עקב השפעות דגנים.

CMOS Cryogenic Electronics

מגמה גדולה היא השילוב הטרוגני של ADCs עם מעגלים בקרה CMOS Cryogenic. גישה זו מממנת את הטוב ביותר של שני העולמות: superconductors for low-noise ההמרה אנלוגי ו CMOS לעיבוד דיגיטלי וזיכרון. Flip-chip חיבור ו- באמצעות silicon באמצעות (TSVs) מאפשר חיבורים צפופים עם תקציב מינימלי לדוגמה, לדוגמה, CMI משותף של מודול CMOCDC המכיל מספר רב של סגסוגת כולל של כוח משולב של CMV.

Cry Aogenic Amplifier

עיצוב Amplifier

לפני אות אנלוגי מגיע ADC, זה חייב להיות מוגבר עם רעש נוסף רשלני. Cryogenic HEMT (High Electron Mobility Transistor) amplifiers על בסיס InP וגאגאס משמשים נרחב לשלב הראשון, השגת טמפרטורות רעש נמוך כמו 2 K. עבור רעש נמוך אפילו נמוך יותר, ג'וזף מדגמי ג'ונסון לספק ליד-quant-umant- ampation עם טמפרטורות נמוכות יותר מכווץ עכשיו עם מזערי של צמצם נמוך יותר של צמצם נמוך יותר.

ניהול ארס ו- Noise Matching

הכפלת המגבר ל- ADC דורשת תנופה זהירה מתאימה למזער השתקפות המפחיתה את האות.על מוליכים קווי שידור עשויים NbTi או אלומיניום פותחו עם תנופה אופיינית של 50 ⁇ , התאמה הן של תפוקת המגבר והן קלט ADC. כיורבת חייב להיות יעיל: המגבר ו- ADC לעתים קרובות רכובים על צלחת קרה ב קיבולת K, עם אותות תרמיים אשר מובאים באמצעות כבלים אופטימיים.

המונחים: Quantum Sensing

עקבו אחרי Qubit Readout

אולי היישום התובעני ביותר הוא קריאה של qubits על-ידי ספין-ביטלס. אלה, שפועלים ב- 50 מ'K, נמדדים באמצעות קריאה מתפזרת שבו טון מיקרוגל משתקף משלב שינויים המבוססים על המעבד ה-qubiticic Light-ADCs דיגיטציה של גוגל (ADCs) מדגמי את האות המשקף הזה, ואלגוריתם של זמן אמתיקבע את המהירות והדיוק של ADC באופן ישיר; 0FLTSdra) ל- 10 רכיבים של ה-ADC (ADC) יכול להשיג דיוק נמוך באופן מלא: 0Fdra) באופן מלא של 10 סיביות (ADC) באופן מדויק יותר משקף את ה- 10.

SQUIDs ו- Quantum magnetometers

חיישנים SQUID להמיר פלוקס מגנטי לתוך מתח כי הוא אז דיגיטציה. Cryogenic ADCs לשפר את הביצועים על ידי הסרת הצורך בלולאות עם אלקטרוניקה temperature החדר, אשר מציג רעש flicker.אינטגרציה ישירה של SQUID עם RSFQ ADC מאפשר שבב מגנטי קומפקטי עם רגישות מתחת 10FLT:0-14FLT1 / ⁇ שימוש ב-Hicial של ציוד הדמיה של JRicial CDC (D) ו-Dicial הדמיה של CDC (Dicial) לשימוש ב-Dicial הדמיה של CDC) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

רקטורים לחיפושי Axion and Dark Matter

בניסויים כמו ADMX (ניסוי של חומר אפל), חלל מיקרוגל טונובל שקוע בשדה מגנטי חזק.אם קיים צירים, הם להמיר photons בתדירות יחסית למסה שלהם.הכוח המתקבל (כמו 10reaFLTs:0-23FLT:1 W) הוא מגבר ומטה למטה על גבי כמות של ספקטרום של ספקטרום של 10 מעלות צלזיוס להפחתה מהירה יותר מאשר רזולוציה של 10 ג'יגה- 12 אינץ') מאשר בטמפרטורה של ספקטרום מוקדם של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום (C) מגובה של ספקטרום מוקדם יותר מגובה של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של 1 W) הוא מגובה של 10.

השפעה על הפיזיקה הבסיסית

בדיקה אחרונה ב- Macroscopic Scales

Cryogenic ADCs ממלא תפקיד מרכזי בניסויים המבקשים להציב מדינות קוונטיות לסופרפוזיציה מאקרוסקופית.לדוגמה, במערכות אופטימכאניות, מראה הוא קריר למצב הקרקע שלה ואת התנועה שלו נמדדת עם דיוק גבוה. A Cryogenic ADC דיגיטציה אופטית האות heterodyne, המאפשר שיקום של המדינה המכנית עם דיוק תת-מטר כזה.

גילוי דעת אפל

מעבר לחרדות, ADCs Cryogenic משמשים בניסויים לזיהוי ישיר עבור חלקיקים מסיביים חלש (WIMPs) נוזלי xenon זמן הקרנה תאים (כמו LUX-ZEPLIN) לייצר ionization קטן אותות scintillation. אלה מעובדים על ידי אלקטרוניקה וואטוגנית עם ADC באותו טמפרטורה כמו xon (כ 170 K). הרעש מופחת של ADC משפר את הפחתת הפחתת החמצן בין הפחתת חומר אלקטרונים ל- EDC ל-repogic).

גילוי גלים ומעבר

(הדור השלישי של גלי הכבידה, כגון טלסקופ איינשטיין ו- מיקרוסקופי אקספלור קוסמי, ידרוש מראות מבועתים להפחית רעש תרמי הרץ.קריאה של המפרשים האלה מסתמכת על photodetectors אשר הפלט שלו הוא דיגיטאלי על ידי אולטרה-נמוך ADCs.הפעלה של ADCs ב-20 K בתוך המעטפה לא רק מקטין רעש, אלא גם מקטין את הגמישות של ממש עבור בקרת חלל (CDC) של EDC) כגון: LDCs (LDC) אשר יש צורך ב-LDC) ב-LDCS.

כיוונים עתידיים ו- Outlook טכנולוגי

שילוב עם מעבדים קוונטיים

החזון האולטימטיבי הוא לשלב באופן מונוליטי ADCs עם שבבים על מוליכים על qubit. זה יבטל את הצורך כבלים קואקסיאליים בין qubit ו אלקטרוניקה Readout, מאוד לפשט את העודף כי עכשיו מגביל את ספירת ה-qubit ל- 1000.coms לאחרונה על ידי IBM להראות שבב אחד המכיל 2×2 סיביות ו- ON-chip RQult פעיל עם יכולת של מסובכת של , 000.

מערכות Cryogenic מבוססות חלל

משימות חלל כגון טלסקופ החלל Origins ותוכנית observatory Athena X-ray להשתמש גלאי Cryogenic עם על גבי לוח Cryogenic ADCs. הפעלה ב 50 מ"ק ל 4K בחלל מציגה אתגרים ייחודיים: פירוק כוח חייב להיות מצטמצם כדי להישאר בתוך קיבולת Cryocer של נאס"א, וקשהות הקרינה נדרשת.

סקאביה ואנרגיה

הכדאיות המסחרית של יוזמת האלקטרוניקה הצעקנית תלויה בהדפסת 300 מ"מ ל- 300 מ"מ ויפראס. קונסורטיה כמו Superconducting Digital Electronics Initiative (SDE) ביפן מפתחים תהליכים לא תואמים עבור צומת ג'וזףסון עם שיניים נוכחיות קריטיות מעל 100 kA/CM2. במקביל, יעילות האנרגיה משתפרת באמצעות הטיה כוח במקום קשקשים ל-FlowiFvFULFULIQ (ה-F) ב- 10-1, לעומת 10C1.

מסקנה

קריוג ADCs עברה מתחנות מעבדה כדי לאפשר טכנולוגיות עבור חלק מהמכשירים המדעיים הרגישים ביותר שנבנו אי פעם.היכולת שלהם לפעול בטמפרטורות נמוכות קיצוניות עם רעש מינימלי וכוח פתח חלונות חדשים לתוך העולם הקוונטי, מ-qubit קראout לגילוי החומר האפל.כפי חומרים ועיצוב מעגלים ממשיך לדחוף את הגבולות, מכשירים אלה יהפכו חזקים יותר ואלקטרוניקה, המניעים חדשים של תגליות בסיסיות בטכנולוגיות קוונטיות וטכנולוגיות קוונטיות הם חוקרים את ה-קולנועיות.