Достижения в области криогенных адсорсинговых технологий для квантового зондирования и фундаментальных исследований физики

Недавние прорывы в криогенных аналого-цифровых преобразователях (ADC) революционизируют чувствительность и точность измерений в квантовом зондировании и фундаментальных физических исследованиях. Работая при температурах, близких к абсолютному нулю, эти специализированные ADC преодолевают ограничения теплового шума, которые исторически ограничивали обнаружение субатомных сигналов. Достижения в сверхпроводящих материалах, новых схемных архитектурах и криогенной амплификации теперь позволяют измерять скорости за пределами 100 ГС / с динамическими диапазонами, превышающими 80 дБ, в то время как рассеиваемая мощность остается микроваттами. Исследователи в таких учреждениях, как Национальный институт стандартов и технологий (NIST) и MIT продемонстрировали ADC, способные разрешать энергетические изменения порядка одного фотона, открывая новые пути для изучения темной материи, тестирования квантовой электродинамики и создания масштабируемых квантовых компьютеров. В этой статье исследуются основные принципы, недавние технологические прорывы и преобразующее воздействие криогенных ADC через научные границы.

Основы криогенной аналого-цифровой конверсии

Почему криогенные температуры?

При комнатной температуре тепловой шум, выраженный как k_BT, маскирует мельчайшие электрические сигналы, производимые квантовыми системами. Охлаждение среды ADC до 4 К или ниже (типично для работы жидкого гелия или разбавляющего холодильника) резко снижает этот шумовой пол. В сверхпроводящих схемах работа ниже критической температуры устраняет омическое сопротивление, позволяя току течь без рассеивания и позволяя обнаруживать чрезвычайно низкий уровень шума. Квантовая ограниченная чувствительность этих устройств делает их идеальными для захвата сигналов от кубитов, сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (SQUIDs) и резонаторов, используемых в экспериментах по физике частиц.

Проблемы обычных АЦП при низких температурах

Стандартные АЦП на основе кремния испытывают серьезную деградацию при охлаждении ниже 77 К. Замораживание носителей в легированных полупроводниках увеличивает импеданс, снижает коэффициент усиления и вводит нелинейность. Кроме того, мощность, рассеиваемая в АЦП, может нагревать криостат, дестабилизируя чувствительные эксперименты. Криогенные АЦП преодолевают эти проблемы, используя сверхпроводящие соединения Джозефсона и другие компоненты с низким рассеиванием, которые используют квантово-механические эффекты для выполнения преобразования с минимальной генерацией тепла. Отсутствие вибрации решетки (фонон) шума дополнительно увеличивает отношение сигнал-шум.

Ключевые показатели эффективности

Критические параметры для криогенных АЦП включают эффективное количество битов (ENOB), скорость отбора проб, необоснованный динамический диапазон (SFDR) и джиттер. Последние устройства показывают ENOB выше 10 бит при 20 ГГц выборке, с SFDR лучше, чем 70 дБ. Эти показатели необходимы для квантового зондирования, где энергии сигнала могут быть такими же низкими, как 10 ^-24 J. Низкое джиттер (подпикосекунда) сохраняет фазовую когерентность, необходимую для считывания кубитов и интерферометрических измерений.

Сверхпроводящая архитектура ADC

АЦП на основе Josephson Junction

Семейство логики быстрого одиночного потока (RSFQ) лежит в основе многих криогенных ADC. В технологии RSFQ цифровая информация переносится квантованными импульсами напряжения (флуксонами), генерируемыми соединениями Джозефсона. RSFQ ADC работает путем преобразования аналогового входного сигнала в поток этих импульсов, частота которых пропорциональна напряжению. Чрезмерная выборка и последующая цифровая децимация дают высокое разрешение. Последние проекты включают двунаправленное подсчёт импульсов для достижения линейности за пределами традиционных флеш-ADC. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировали RSFQ ADC с 12-битным разрешением при 40 GS/s с использованием Nb/Al/Al₂O₃ трислойных соединений.

SAR и Pipelined сверхпроводящие ADC

Последовательный регистр приближения (SAR) и трубопроводные архитектуры также были адаптированы для криогенной работы. Сверхпроводящие SAR ADC используют защелкивающие компараторы, изготовленные из соединений Джозефсона, для выполнения двоичного поиска, в то время как трубопроводные варианты используют флэш-стадии с уменьшенным параллелизмом. Преимущество этих конструкций заключается в меньшей сложности схемы и уменьшенном количестве переходов, что улучшает выход. Примечательным примером является криогенный SAR ADC, разработанный Университетом Южной Калифорнии, достигающий 8-битного разрешения при 10 ГС / с энергопотреблением всего 2 мкВт - порядок величины меньше, чем его эквивалент CMOS.

Сравнение подходов

RSFQ ADCs предлагают высочайшую скорость и линейность, но требуют большего количества переходов и точного времени. SAR/пипелиновые конструкции более компактны и легче изготавливаются, но могут страдать от более низких скоростей выборки. Будущие системы могут сочетать оба подхода в гибридной архитектуре, такой как передний конец RSFQ, который питает цифровой бэкэнд для преобразования в форме шума. Выбор зависит от конкретного приложения: квантовые вычисления требуют очень высокой скорости, в то время как эксперименты с темной материей отдают приоритет динамическому диапазону и низкому шуму по необработанной полосе пропускания.

Материалы и достижения в области производства

Ниобий и алюминиевые сверхпроводники

Рабочими лошадками криогенного АЦП являются ниобий (Nb) и алюминий (Al). Ниобий демонстрирует критическую температуру 9,2 К, что делает его пригодным для работы в жидких криостатах гелия. Стыки Джозефсона образуются путем сэндвичинга тонкого туннельного барьера из оксида алюминия между двумя ниобийными электродами. Качество этого барьера имеет решающее значение для воспроизводимых критических токов перехода, которые определяют линейность АЦП. Продвинутые процессы распыления и литографии теперь дают области перехода ниже 0,1 мкм2 с критическими колебаниями тока менее 1%. Надежность процессов на основе ниобия позволила использовать многочиповые модули, которые интегрируют тысячи соединений на одной 10 мм × 10 мм подложке.

Новые материалы: графен и высокоточное сверхпроводники

Для приложений, требующих работы выше 4 К, исследуются высокотемпературные сверхпроводники, такие как оксид меди иттрия бария (YBCO). У переходов YBCO критические температуры выше 77 К, что позволяет работать ADC в более дешевых криокулерах. Однако изготовление надежных переходов YBCO Josephson остается сложным из-за эффектов границы зерна. Графен представляет собой еще одну границу: его атомная тонкость позволяет настраиваемые переходы Джозефсона, которые могут позволить перенастраиваемые архитектуры ADC. Недавние эксперименты в Манчестерском университете продемонстрировали переходы Джозефсона на основе графена с критическим током, который может модулироваться внешним электрическим полем, открывая путь к сверхпроводящим полевым ADCs .

Интеграция с CMOS Cryogenic Electronics

Основной тенденцией является гетерогенная интеграция сверхпроводящих АЦП с криогенными схемами управления КМОП. Такой подход использует лучшее из обоих миров: сверхпроводники для аналогового преобразования с низким уровнем шума и КМОП для цифровой обработки и памяти. Связывание с помощью Flip-chip и сквозные силиконовые сквозные соединения (TSV) позволяют плотно соединиться с минимальным тепловым бюджетом. Например, недавний проект Университета Висконсина-Мэдисона интегрировал 64-канальный массив RSFQ ADC с демультиплексором КМОП, позволяющий параллельно считывать несколько кубитных резонаторов. Общий расход мощности такого гибридного модуля поддерживается ниже 1 мВт, что необходимо для работы разбавляющего холодильника.

Криогенные усилители для кондиционирования сигналов

Низкошумный усилитель дизайна

Прежде чем аналоговый сигнал достигнет АЦП, его необходимо усилить незначительным добавленным шумом. Криогенные усилители HEMT (High Electron Mobility Transistor) на основе InP и GaAs широко используются для первой стадии, достигая температуры шума до 2 К. Для еще более низкого шума параметрические усилители Джозефсона (JPA) обеспечивают почти квантово-ограниченное усиление с температурой шума, приближающейся к фракции Кельвина. JPA используют нелинейную индуктивность соединения Джозефсона для создания параметрического усиления с минимальным рассеиванием. Они теперь стандартны в цепях считывания QED, повышая сигналы кубита на микровольтном уровне до милливольт, которые могут быть оцифрованы криогенным АЦП.

Тепловое управление и уравнение шума

Для соединения усилителя с АЦП требуется тщательное согласование импеданса для минимизации отражений, ухудшающих сигнал. Разработаны сверхпроводящие линии передачи, изготовленные из NbTi или алюминия, с характерным импедансом 50 Ом, совпадающим как с выходом усилителя, так и с входом АЦП. Теплопогружение должно быть эффективным: усилитель и АЦП часто устанавливаются на холодную пластину при 4 К, причем сигнал подается через коаксиальные кабели, которые термизируются на нескольких этапах во избежание утечки тепла. В усовершенствованной упаковке используются микросборные полосы, встроенные в медную подложку для оптимальной теплопроводности.

Применение в квантовом зондировании

Суперпроводящий Qubit Readout

Возможно, наиболее требовательным приложением является считывание сверхпроводящих кубитов. Эти кубиты, работающие на ~50 мК, измеряются с помощью дисперсного считывания, где микроволновый тон, отраженный от резонатора, изменяет фазу на основе состояния кубита. Криогенные ADC оцифровывают этот отраженный сигнал, а итеративные алгоритмы в реальном времени определяют состояние кубита. Скорость и точность ADC напрямую влияют на точность шлюза; 10-битный, 20 GS / с ADC может разрешать квадратурные компоненты с достаточной точностью для достижения частоты ошибок ниже 10 ^-4. Недавняя работа в Google Quantum AI и IBM показывает, что полностью криогенное считывание ADC снижает задержку и сложность кабелей по сравнению с оцифровкой комнатной температуры, прокладывая путь к крупномасштабным квантовым процессорам.

SQUID и квантовые магнитометры

Датчики SQUID преобразуют магнитный поток в напряжение, которое затем оцифровывается. Криогенные ADC повышают производительность, устраняя необходимость в контурах с блокировкой потока с электроникой комнатной температуры, которые вводят мерцающий шум. Прямая интеграция SQUID с RSFQ ADC позволяет использовать компактный чип магнитометра с чувствительностью ниже 10 ^-14 T/√Hz. Такие устройства используются в геофизической съемке, визуализации мозга (магнитоэнцефалография) и поиске магнитных монополей. В недавнем массиве датчиков Университета Ювяскюля используется 16 параллельных криогенных ADC для достижения визуализации в реальном времени с субмиллиметровым пространственным разрешением.

Резонаторы для поиска аксионов и темной материи

В экспериментах типа ADMX (Axion Dark Matter Experiment) настраиваемая микроволновая полость погружается в сильное магнитное поле. Если аксионы существуют, то они преобразуются в фотоны с частотой, пропорциональной их массе. Получающаяся мощность (до 10^-23] W) усиливается и понижается до оцифровки. Криогенные АЦП со скоростью выборки 100 МГц и 12-битным разрешением позволяют сканировать частотный спектр со скоростью в сотни раз быстрее, чем предыдущие системы. Возможность работы АЦП при той же температуре, что и полость (обычно 1-2 К) устраняет тепловые градиенты и снижает шум из считывающей цепи. Коллаборация телескопа Южного полюса (SPAT) приняла криогенные АЦП для поиска аксионов в диапазоне 5-50 ГГц, покрывая неизученную область массы.

Влияние на фундаментальную физику

Тестирование квантовой механики на макроскопических масштабах

Криогенные АЦП играют ключевую роль в экспериментах, стремящихся поместить квантовые состояния в макроскопические суперпозиции. Например, в оптомеханических системах зеркало охлаждается до основного состояния и его движение измеряется с высокой точностью. Криогенный АЦП оцифровывает оптический гетеродинский сигнал, позволяя реконструировать механическое состояние с точностью до субаттометра. Такие измерения проверяют пределы копенгагенской интерпретации и могут выявить отклонения из-за моделей коллапса, подобных тем, которые предложены Гирарди-Римини-Вебером (GRW). Повышенная чувствительность криогенных АЦП позволила недавно установить границы скорости коллапса, которые на два порядка сильнее предыдущих измерений.

Обнаружение темной материи

Помимо аксионов, криогенные АЦП используются в экспериментах прямого обнаружения слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs). Жидкие ксеноновые проекционные камеры (такие как LUX-ZEPLIN) производят небольшие сигналы ионизации и сцинтилляции. Они обрабатываются криогенной электроникой, удерживающей АЦП при той же температуре, что и ксенон (около 170 К). Снижение шума АЦП улучшает дискриминацию между ядерными и электронными откатами, повышая чувствительность к маломассивным ВИМП. Аналогичным образом, эксперименты с использованием сверхпроводящих датчиков переходного периода (TES) для обнаружения темной материи оцифровывают форму импульса с использованием криогенных АЦП для разрешения отложений энергии до 10 эВ.

Обнаружение гравитационных волн и за их пределами

Обсерватории гравитационных волн третьего поколения, такие как телескоп Эйнштейна и Космический исследователь, потребуют криогенных зеркал для снижения теплового шума. Считывание этих интерферометров опирается на фотодетекторы, выход которых оцифрован ультранизкошумными АЦП. Работа таких АЦП при 20 К внутри вакуумной оболочки не только снижает шум, но и уменьшает задержку для петлей управления в реальном времени. Криогенные АЦП также находят применение в космических детекторах, таких как LISA (Laser Interferometer Space Antenna), где электромагнитные помехи должны быть сведены к минимуму. Европейское космическое агентство разрабатывает криогенный модуль АЦП для считывания тестовой массы LISA, нацеленный на чувствительность к смещению 10 ¹² м/Гц.

Будущие направления и технологический прогноз

Интеграция с квантовыми процессорами

Конечная цель состоит в монолитной интеграции криогенных ADC со сверхпроводящими кубитными чипами. Это устранит необходимость в коаксиальных кабелях между кубитом и электроникой считывания, что значительно упростит накладные расходы на проводку, которые в настоящее время ограничивают количество кубитов до 1000. Недавние демонстрации IBM показывают, что один чип, содержащий массив кубитов 2×2 и ON-чип RSFQ ADC, работающий на 4 К. Масштабирование до тысяч кубитов потребует ADC с более высокой способностью мультиплексирования и меньшей мощностью. Разработка частотно-мультиплексных ADC, которые оцифровывают десятки сигналов резонатора одновременно, является текущим фокусом.

Криогенные системы на основе космоса

Космические миссии, такие как Космический телескоп Origins и рентгеновская обсерватория Athena, планируют использовать криогенные детекторы с бортовыми криогенными АЦП. Работая на скорости от 50 мК до 4 К в космосе, представляют уникальные проблемы: рассеивание энергии должно быть сведено к минимуму, чтобы оставаться в пределах мощности криокулера, и требуется твердость излучения. Космический телескоп Джеймса Уэбба избежал оцифровки в криостате, но будущие миссии будут принимать криогенные АЦП для уменьшения массы кабелей и усложнения использования. Программа НАСА Cryogenic Autonomous Digital Electronics (CRADE) разрабатывает 10-канальный чип АЦП с общей мощностью менее 0,5 мВт для использования в следующем поколении инфракрасных датчиков дальнего радиуса действия.

Масштабируемость и энергоэффективность

Коммерческая жизнеспособность криогенных АЦП зависит от масштабирования изготовления до 300 мм пластин. Консорциумы, такие как Superconducting Digital Electronics Initiative (SDE) в Японии, разрабатывают литейно-совместимые процессы для соединений Джозефсона с критическими значениями плотности тока выше 100 кА/см2. В то же время энергоэффективность улучшается за счет использования смещения ac-power вместо смещения dc для схем RSFQ, уменьшая рассеивание в 10 раз. Конечной целью является криогенный АЦП с показателем достоинства (мощность на шаг преобразования) ниже 10 ^]-18 J/conv, сопоставимый с лучшими КМОП АЦП при комнатной температуре.

Заключение

Криогенные АЦП перешли от лабораторных курьезов к технологиям, позволяющим использовать некоторые из самых чувствительных научных инструментов, когда-либо созданных. Их способность работать при экстремальных низких температурах с минимальным шумом и мощностью открыла новые окна в квантовый мир, от считывания кубитов до обнаружения темной материи. По мере того, как материаловедение и схемотехника продолжают раздвигать границы, эти устройства станут более мощными и доступными, что приведет к новой эре открытий в фундаментальной физике и квантовых технологиях. Для последних исследований читателям предлагается изучить материалы Международной конференции сверхпроводящей электроники IEEE и публикации NIST Quantum Devices Group.