ההתקדמות האחרונה במגירים אנלוגיים-לספרטיים (ADCs) הופכת את הנוף של פיזיקת הקוונטים חישה וטמפרטורה נמוכה.על ידי הפעלת טמפרטורה ליד אפס מוחלט, מכשירים אלה להפחית באופן דרמטי רעש תרמי ומאפשרים מדידה כי הוא בלתי ניתן ליזום עם אלקטרוניקה החדר הרגיל-זמני.השיפורים וכתוצאה מכך המרה הם קריטיים עבור יישומים החל מ- קראטבזה של מחשבים דמויי-יקום, כדי לחקור את התפקיד האנתמיים-מחדש של האינטגרציה זו, תוך כדי לחקור את האינטגרציה נמוכה של מערכת אקולוגית-ה-הקודמתקפה, תוך כדי התבוננות, כלומר, תוך כדי התבוננות פנימית-הטווח של אינטגרלית של אינטגרלית של אינטגרטיבית של אינטגרלית של אלקטרוניקה-ה-מחדשנית-ה-הקודמת, כלומר, כלומר, כלומר, תוך כדי אינטגרטיבית של המחשב, תוך כדי התבוננות מרחוק, תוך כדי התבוננות מרחוק, תוך כדי בחינת תפקודם של אלקטרוניקה של תאים אסטרונומית-מחדשנית-מחדשנית-מחדשנית-מחדשהמולקולונימית, תוך כדי הרחבת תפקוד של אלקטרוניקה של אלקטרוניקה-זמנית של אלקטרוניקה-מחדשנית-מחדשנית-זמנית-מרחב

יסודות של Cryogenic ADCs

ממירים אנליסטים-to-דיגיטליים הם בכל מקום באלקטרוניקה המודרנית, מתרגמים אותות פיזיים רצופים לערכים דיגיטליים דיסקרטיים. בסביבות Cryogenic, האתגר הוא לשמור על רזולוציה גבוהה ולינאריות בעוד הרכיבים האלקטרוניים קרירים לטמפרטורות של כמה קלווין או אפילו מילימטריקלווין.

היתרון העיקרי של פעולה מבועתת הוא ההפחתה האקספוננציאלית של רעש תרמי ג'ונסון-ניקוויקט, אשר בקנה מידה עם טמפרטורה מוחלטת. עבור רוחב פס נתון, צפיפות כוח הרעש טיפות על ידי פקודות של גודל כאשר הטמפרטורה מופחתת מ 300 K עד 4 K או מתחת. זה מאפשר יחס אות גבוה בהרבה ל- noise (SNR) ומאפשר זיהוי של אותות חלשים מאוד - דרישה עבור חיישנים קוונטיים מדידה, או שדות חד-או מגנטיים, או מגנטיים.

Noise Reduction ו-Sרגישות מקבל

רעש ארסי הוא המקור הרעש הדומיננטי ברוב ארכיטקטורות ADC. ב ADC קונבנציונלי, הרעש התרמי של קפיטור הדגימה ואת המפרק מגביל את המספר היעיל של ביטים (ENOB) על ידי קירור כל ADC, מתח הרעש הממתאם טיפות כמו ⁇ (k / C), שבו k הוא קבוע של בולטמן T, הוא טמפרטורה, ו- C7 הוא צמצם בערך לטמפרטורה נוספת של 0.

בפועל, מקורות רעש נוספים כגון 1 / F flicker רעש ורעש קוונטי גם משנה, אבל פעולה Cryogenic יכול להפחית רעש flicker מעגלים מסוימים על מוליכים על-ידי שימוש על-ידי שימוש במתחרים מסוימים.שיפור הרגישות הכולל מאפשר ADCs להיות ממוקם קרוב לחיישנים Cryogenic, צמצום אורך של חיבורים אנלוגיים וצמצום אות זה חיוני עבור יישומים כמו מחשוב קוונטי, שבו אותות של qubit הם מאוד חייב להיות חלש מאוד.

אלקטרוניקה ל- ADCs

רוב ה-ADCs Cryogenic מסתמכים על חומרים מורכבים כגון niobium (Nb), niobium nitride (NbN), או ytrium barium נחושת תחמוצת (YBCO) עבור מוליכים סופר-טמפרטורה גבוהה.סופרconductors להפגין אפס התנגדות DC ויכול לשאת זרמים מתמשכים, אשר הופך אותם אידיאליים לעיבוד אותות נמוכים.

ADCs מבוסס SQUID

SQUIDs הם הממגנטים הרגישים ביותר הידועים, המסוגל לזהות שינויים בשטף מגנטי קטן כמו שבריר של פלוקס קוונטים ( ⁇ 0 ⁇ 2.07 × 10-15 Wb) ב ADC מבוסס SQUID, זרם קלט אנלוגי מומר לשפעת מגנטית, אשר לאחר מכן הוא מכושף על ידי SQUID.

עבור יישומים של זיהוי קוונטי, SQUID ADCs הם בעלי ערך במיוחד כי הם יכולים ישירות ממשק עם גלאי Cryogenic כגון חיישנים פורצי דרך (TES) ומיקרומטריה מגנטית ללא צורך בגבר ביניים. לדוגמה, קריאה של מערך TES עבור X-ray spectroscopy משתמשת לעתים קרובות מספר SQUIDxer המשלב פונקציה ADC, במקביל של מאות פיקסלים.

RSFQ- Based ADCs

לוגיקה חד-פעמית מהירה של RSFQ ADC בדרך כלל הופכת את המתח האנלוגי לתוך רכבת של הדופק מגנטי הקוונטי, כל אחד המייצג פלוקס קוונטי, ולאחר מכן ספירת הדופקים האלה בדלפק דיגיטלי.RSFQ ADC בדרך כלל יכול לפעול בתדרים של 100 GHz תוך פיזור של מיקרו-וואט בלבד, מה שהופך אותם לטמפרטורות נמוכות מאוד.

RSFQ ADCs השיגו החלטות חד-ביט מעל 10 ביטים יעילים בשיעורי דגימה של עשרות ג'יגה-סמפטים לשנייה.המכשירים האלה מופרסים במקלטים של רדיו-אסטרולוגים שבו רוחב הפס האות יכול לעלות על 10 GHz, ומאפשרת דיגיטציה ישירה של התדר ביניים ללא אנלוגיה של המורכבות מופחתת ושיפור ליניאריות בהשוואה למקובל או CMOS הם יתרונות משמעותיים.

מעגלים Cryogenic משולבים: Monolithic ו-Hyry Approaches

כדי לממש את הפוטנציאל המלא של ADCs Cryogenic, החוקרים משלבים רכיבים מרובים של מעגלים - מדגמים, מסננים, מרובים ו עיבוד דיגיטלי - על שבב יחיד או מודול קומפקטי. שתי אסטרטגיות שילוב ראשוני הופיעו: מעגלים מוליכיים מונוליטיים מוליכים על מערכות היברידיות המשלבות חזית אנלוגית מול ריצוף CMOS דיגיטלי אחורי.

שילוב Superconducting

שילוב מונוליטי כולל ייצור של ADC כולו, כולל לוגיקה המרה האנלוגית-ל-דיגיטלית ולפעמים מעבד האות הדיגיטלי, באמצעות תהליך ייצור סופר-מוליכים-על-המצאות המתקדמות ביותר (למשל, תהליך SFQ5ee של MIT לינקולן, מהירות ה- חנקן של IMEC) מציעות Multi-layering ICs עם תכונות מתחת ל- 1 מיקרומטר אלה, המאפשרים אינטגרציה של 12D3D.

הצעקות ההיברידיות

במערכות מעשיות רבות, הצורך בעיבוד דיגיטלי מורכב (למשל, סינון סינון, תיקון שגיאות) סכסוכים עם תקציב הכוח המוגבל ואת הקושי ביישום לוגיקה RSFQ בקנה מידה גדול. גישה היברידית מציבה את חזית ADC מוליכים ADC רואה על אותו שלב קר כמו חיישן הקוונטי, בעוד כוח נמוך קריאות CMOSIC מטפלות ספרותיזציה ומערכתיות קידודית כמו CDC קומפקטית , יכול למנוע שבבים מבוססי CDC מוליכים תחת מוליכים למחצה, כמו CDC, או מוליכים למחצה הנוכחי.

יישומים ב- Quantum Technologies

היכולת לדיגיטלית אותות ישירות בטמפרטורות Cryogenic היא טרנספורמטיבי עבור מחשוב קוונטי, רגיש, ומטרופולין.כל יישום מטיל דרישות ספציפיות על ארכיטקטורת ADC, רוחב פס, פתרון, ופיזור כוח.

המונחים: Qubit Readout

במעבדים קוונטיים מורכבים, qubits בדרך כלל לקרוא על ידי מדידת ההתחדשות תלויה המדינה של מחזר מיקרו קורא .הסימן המועבר הוא מוגדל על ידי מגבר ג'וזףסון (JPA) או קצב גל-גלטרקטי נסיעה של אלקטרו-מגבר (TWPA) ולאחר מכן מתמוסס למטה עד כמה מאות מגה-הרץ.

חיישן קוונטי: TES ו- MKID Arrays

חיישניים מתקדמים (TES) וגלי גלאי האלקטרוניקה של מיקרוגל (MKIDs) משמשים אסטרופיזיקה, חומר כהה זיהוי, ו- X-ray spectroscopy. TES לייצר דופקים זעירים נוכחיים אשר נקראים על ידי SQUID פיקסלים מופעלים על ידי פיקסלים מרובים של XVK הוא אז דיגיטציה מוגבלת של מספר פיקסלים (מספר פיקסלים) עם מספר פיקסלים של ®X-DSx-i-i-D הוא רק מספר קטן של מספר פיקסלים (למשל, 000) הוא מספר פיקסלים, 000- פיקסלים, 000 פיקסלים, 000 פיקסלים, 000 פיקסלים, 000 פיקסלים, 000 פיקסלים, 000 פיקסלים מופעל על ידי מספר פיקסלים, 000 פיקסלים, 000 פיקסלים מופעלים של פיקסלים של פיקסלים של פיקסלים עבור מספר פיקסלים עבור מספר פיקסלים מופעלים של פיקסלים עבור מספר פיקסלים עבור מספר פיקסלים עבור מספר פיקסלים עבור מספר פיקסלים של פיקסלים מופעלים מרובים של פיקסלים עבור פיקסלים של פיקסלים מופעלים של פיקסלים עבור פיקסלים עבור פיקסלים עבור פיקסלים מופעלים של פיקסלים עבור פיקסלים עבור פיקסלים של פיקסלים מופעלת מספר פיקסלים CDC-ידי

מטרופולין קוונטי וסטנדרטים ראשוניים

במכון הלאומי של התקנים וטכנולוגיה (NIST), ADCs Cryogenic משמשים ליישום תקני מתח קוונטיים המבוססים על מערך צומת ג'וזףסון. על ידי שילוב של רמת מתח ג'וזףסון עם קריאה דיגיטלית, מערכות אלה יכולות ליצור ולקבוע מתחים עם דיוק של יותר מ-1 חלק ב- 109.ה- ADC במערכות כאלה חייב לפעול בטמפרטורות Cryogenic כדי להיות קרוב פיזית למערך ג'וזף ו- קוונטי לשמור על הדיוק.

אתגרים וחומרים

למרות הביצועים המרשימה, ADCs Cryogenic להתמודד עם מכשולים משמעותיים בד.הדחיסות הנוכחית, אחידות, וכדאיות של צומת ג'וזףסון על פני ציר חייב להיות נשלט בחוזקה כדי להבטיח ביצועים ADC עקבי. פלוגציות באזור צומת או עובי יכול לגרום וריאציות בעומק SQUID Modulation, degrading לינאריות.

בחירת חומרים היא גם קריטית. צומת Niobium בדרך כלל לפעול ב 4K, אבל עבור יישומים בטמפרטורות מילימטרווין, חומרים שונים כגון אלומיניום (אל) או וניל (V) נדרשים כדי להשיג את הפער הרצוי מוליכים על ידי אל / אלקס / אל-אלמנהרות הם נפוצים לטמפרטורות נמוכות יותר אבל יש להם שיניים נוכחיות קריטיות נמוכות יותר, הגבלת מהירות החוקרים הם חקר niobium (Nb) ו-Nb) ו-Nb) כדי להחליף פערים מהירים יותר (Nb) שלהם יותר (Nide (Nb) ו-Nb) כדי לאפשר פערים מהירים יותר (Nbtinium) ו-Nide (Nb) ו-Nide (Nide (Nb) יותר עבור חנקן יותר עבור חנקן (Nide (Nb) מהר יותר (Nb) ו-Nide (Nide) מהר יותר, 000) ו-Nb) ו-Nide (Nide) עבור חנקן (Nide (Nide) מהר יותר עבור טמפרטורות יותר עבור חנקן מוקדם יותר עבור טמפרטורות מהירות גבוהה יותר עבור טמפרטורות יותר, 000) ו-Nb) ו-Nide (Nide (Nide) ו

ניהול תרמי הוא אתגר נוסף.החיפוש בין ADC ה Cryogenic לבין אלקטרוניקה של החדר-temperature פועל חום לתוך הבמה הקרה, הדורש התרממות זהירה באמצעות כבלים Cryogenic מיוחדים ושקועים חום. פיזור כוח בתוך ADC עצמו, אם כי קטן, חייב להיות תקציב בזהירות כדי למנוע העלאת הטמפרטורה של סביבת החיישן.זה הוא קריטי במיוחד עבור חיישנים קוונטיים מתחת 100K אפילו כמה חום יכול להיות ממות.

השוואות עם חדר תאטרון ADCs

שאלה נפוצה היא אם חדר ביצועים גבוה זמן ADC ניתן להשתמש מחוץ ל Cryostat עם קירור מתאים. בעוד שהגדרה כזו היא פשוטה יותר, הכבלים ארוכים הדרושים כדי לחבר את החיישן הקר ל- ADC חם מציג אובדן משמעותי ורעש. בתדרי מיקרוגל, אטימות כבל יכול לעלות על 1DB למטר ב 4K, ואת הרעש התרמי מכבל מוסיף עצמו לסימן, יתר על ידי מהירויות נמוכות יותר של קוצר רוח.

קישורים חיצוניים וקריאה נוספת

המשאבים הבאים מספקים עומק טכני נוסף על פיתוח ADC Cryogenic:

  • (ב) [ה]ה] [ה][דרוש מקור]] [ה]] [ה]] [ה]]]] [ה]]]] [ה]]]][דרושה]]] את מחקרו של NIST על תקני מתח ומטרופולין באמצעות ADCs Cryogenic.
  • [01:0] ‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬ה‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬‭ ‬
  • (ב) ⁇ :0 ⁇ ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) ESA Cryogenic ADC Development for SpaceFLT:2earFLT 3:2cioFLT 3: - העבודה של סוכנות החלל האירופית על ADCs מבוהלים למכשור אסטרופיזיקה.

כיוונים עתידיים של Outlook ומחקר

המסלול של פיתוח ADC Cryogenic הוא לעבר רוחב פס גבוה יותר, כוח נמוך יותר, ושילוב הדוק יותר עם מערכות קוונטיות. כמה מסלולי מחקר מבטיחים הם מתעוררים:

ביצועים קוונטיים-Limited Noise

באמצעות ג'וזףסון מגברי קצב כשלב טרום-מאגד לפני ה- ADC, החוקרים מקווים להגיע למגבלת הרעש הקוונטית בקלט.זה יאפשר זיהוי ברמה של תמונה אחת מעבר רוחב פס רחב.שלב ג'פ עם SQUID ADC על שבב יחיד הוא אזור פעיל של מחקר.

ההרחבה הדיגיטלית and Real-Time Correction

הגדלת עיבוד אותות דיגיטליים ישירות על השבב ה Cryogenic (באמצעות RSFQ או CMOS מתקדם) יאפשר סינון בזמן אמת, תיקון שגיאות, משוב החיישן.זה חשוב במיוחד עבור מחשוב קוונטי, שבו מדידה מהירה של מדינת qubit ותיקון נדרשים עבור פעולה סובלנית.

טמפרטורה גבוהה יותר Superconductors

עבודה על מוליכי סופר-חיות בטמפרטורה גבוהה (למשל, YBCO) יכולה לאפשר ADCs Cryogenic לפעול ב 40-77 K, לפשט את דרישות הקירור ולהפחתת עלויות. בעוד YBCO עדיין יש גורמי איכות נמוכים יותר מאשר חנקיום, התקדמות לאחרונה בטכנולוגיית צומת הלבבת מבטיחה יישומי ADC.

3D אינטגרציה ו-Pooling

קידוד מספר רב של שבבי superconducting ו-CMOS באמצעות שילוב תלת מימדי (באמצעות-silicon באמצעותs, micro-bumps) יאפשרו ADCs צפופים עם חיבורים מינימליים.זה חיוני לדרג מעבדים קוונטיים לאלפים של qubits, כל אחד הדורש ערוץ קריאה ייעודי.

מסקנה

ממירים אנלוגיים-לספריים מייצגים טכנולוגיה קריטית המאפשרת לדור הבא של חיישנים קוונטיים, מחשבים קוונטיים וכלי מדידה בתדר נמוך. על ידי מינוף מעגלים מורכבים ויתרונות הרעש הטבועים של פעולה Cryogenic, אלה ADCs להשיג מדדים ביצועים כי הם בלתי ניתנים להשגה עם אלקטרוניקה סטנדרטית של החדר-זמנית.