Достижения в области криогенных адсорбционных систем для квантовых датчиков и низкотемпературных приложений

Последние достижения в криогенных аналого-цифровых преобразователях (ADC) трансформируют ландшафт квантового зондирования и низкотемпературной физики. Работая при температурах, близких к абсолютному нулю, эти устройства резко снижают тепловой шум и обеспечивают точность измерений, недостижимую для обычной электроники комнатной температуры. Полученные улучшения в преобразовании сигналов имеют решающее значение для приложений, начиная от считывания кубитов в квантовых компьютерах до обнаружения слабых астрономических сигналов. В этой статье исследуется состояние самых современных в криогенной технологии ADC, базовая физика, ключевые схемы архитектуры, проблемы интеграции и расширяющаяся роль, которую эти преобразователи играют в квантовых датчиках следующего поколения и низкотемпературных инструментах.

Основы криогенных ADC

Аналого-цифровые преобразователи повсеместно используются в современной электронике, переводя непрерывные физические сигналы в дискретные цифровые значения. В криогенных средах задача состоит в поддержании высокого разрешения и линейности, в то время как электронные компоненты охлаждаются до температур нескольких Кельвинов или даже милликельвинов. Традиционные АЦП на основе КМОП страдают от повышенного шума и снижения производительности при низких температурах из-за замораживания носителей и перепадов порогового напряжения. Криогенные АЦП специально разработаны для использования уникальных свойств материалов и схем, которые становятся сверхпроводящими или иным образом ведут себя благоприятно при этих экстремальных температурах.

Основным преимуществом криогенной работы является экспоненциальное снижение теплового шума Джонсона-Никвиста, который масштабируется с абсолютной температурой. Для данной полосы пропускания плотность мощности шума падает на порядки, когда температура снижается с 300 К до 4 К или ниже. Это позволяет гораздо более высокие отношения сигнал-шум (SNR) и позволяет обнаруживать чрезвычайно слабые сигналы - требование для квантовых датчиков, которые измеряют одиночные фотоны, спиновые состояния или наноразмерные магнитные поля.

Снижение шума и повышение чувствительности

Тепловой шум является доминирующим источником шума в большинстве архитектур ADC. В обычном ADC тепловой шум конденсатора отбора проб и компаратора ограничивает эффективное количество битов (ENOB). Охлаждая всю сборку ADC, шумовое напряжение rms падает как √(kT/C), где k - постоянная Больцмана, T - температура, а C - емкость. Например, снижение температуры с 300 K до 4 K уменьшает шум примерно в √75 ≈ 8,7. Это приводит к примерно 3,1 дополнительным битам разрешения, если полный диапазон остается неизменным.

На практике важны дополнительные источники шума, такие как шум мерцания 1/f и шум квантования, но криогенная операция может смягчить шум мерцания в некоторых сверхпроводящих схемах. Общее улучшение чувствительности позволяет размещать АЦП вплотную к криогенным датчикам, уменьшая длину аналоговых соединений и сводя к минимуму деградацию сигнала. Эта близость необходима для таких приложений, как квантовые вычисления, где сигналы от кубитов чрезвычайно слабы и должны быть оцифрованы, прежде чем они будут перегружены шумом кабеля.

Сверхпроводящая электроника для ADC

Большинство криогенных АЦП полагаются на сверхпроводящие материалы, такие как ниобий (Nb), нитрид ниобия (NbN) или оксид меди иттрия бария (YBCO) для высокотемпературных сверхпроводников. Сверхпроводники проявляют нулевое сопротивление постоянного тока и могут нести постоянные токи, что делает их идеальными для обработки сигналов с низким уровнем потерь. Два доминирующих семейства сверхпроводящих технологий АЦП основаны на логике SQUID (Сверхпроводящие квантовые помехи) и RSFQ (Быстрая однопотоковая квантовая).

ADC на основе SQUID

SQUID являются наиболее чувствительными магнитометрами, способными обнаруживать изменения магнитного потока, такие же малые, как доля квантового потока ( ⁇ 0 ≈ 2.07 × 10-15 Втб). В ADC на основе SQUID аналоговый входной ток преобразуется в магнитный поток, который затем квантовается петлей SQUID. SQUID выдает импульсы напряжения, которые подсчитываются для получения цифрового представления. Эта архитектура обеспечивает чрезвычайно высокую линейность и динамический диапазон, ограниченный только шумом самого SQUID. Последние достижения включают использование многоступенчатых усилителей SQUID и цифровой обратной связи для увеличения полосы пропускания и уменьшения шума потока до почти квантового предела.

Для квантовых приложений SQUID ADC особенно ценны, поскольку они могут напрямую взаимодействовать с криогенными детекторами, такими как датчики переходного периода (TES) и магнитные микрокалориметры без необходимости промежуточного усиления. Например, считывание массива TES для рентгеновской спектроскопии часто использует мультиплексор SQUID, который включает функцию ADC, позволяющую одновременно оцифровывать сотни пикселей.

RSFQ-Based ADCs

Быстрая однопоточная квантовая логика использует квантованный магнитный поток в сверхпроводящих петлях для представления цифровых битов. RSFQ ADC обычно преобразует аналоговое напряжение в поезд импульсов напряжения, каждый из которых представляет собой квантовый поток, а затем подсчитывает эти импульсы в цифровом счетчике. RSFQ схемы могут работать на тактовых частотах, превышающих 100 ГГц, при этом рассеивая только микроватты мощности, что делает их хорошо подходящими для высокоскоростной оцифровки с низкой мощностью при криогенных температурах.

Современные RSFQ ADC достигли однобитного разрешения выше 10 эффективных бит при частоте выборки в десятки гига-образцов в секунду. Эти устройства размещаются в радиоастрономических приемниках, где пропускная способность сигнала может превышать 10 ГГц, что позволяет осуществлять прямую оцифровку промежуточной частоты без аналогового нисходящего преобразования. Снижение сложности и улучшение линейности по сравнению с обычными интерфейсами GaAs или CMOS ADC являются значительными преимуществами.

Интегрированные криогенные схемы: монолитный и гибридный подходы

Для реализации полного потенциала криогенных АЦП исследователи интегрируют несколько компонентов схемы — усилители, фильтры, мультиплексоры и цифровую обработку — в один чип или компактный модуль. Появились две основные стратегии интеграции: монолитные сверхпроводящие схемы и гибридные системы, которые сочетают сверхпроводящие аналоговые фронт-энды с криогенными цифровыми бэк-эндами CMOS.

Монолитная сверхпроводящая интеграция

Монолитная интеграция включает в себя изготовление всей ADC, включая логику аналого-цифрового преобразования, а иногда и цифровой сигнальный процессор, с использованием процесса изготовления сверхпроводников. Самые передовые литейные заводы (например, процесс SFQ5ee лаборатории MIT, процесс ниобия IMEC) предлагают многослойные сверхпроводящие IC с функциями ниже 1 мкм. Эти процессы позволяют плотную интеграцию переходов Джозефсона, индукторов и резисторов. Недавняя демонстрация все сверхпроводящего 16-битного ADC, работающего на 4 К со скоростью выборки 6 ГС / с, показала ENOB 12,3 бит и энергопотребление всего 12 мкВт - порядок величины лучше, чем любой CMOS ADC комнатной температуры с сопоставимой скоростью и разрешением.

Гибридные криогенные системы

Во многих практических системах необходимость сложной цифровой обработки (например, фильтрация децимации, коррекция ошибок) противоречит ограниченному бюджету мощности и сложности реализации крупномасштабной логики RSFQ. Гибридный подход помещает сверхпроводящий интерфейс ADC на ту же холодную стадию, что и квантовый датчик, в то время как криогенная CMOS ASIC с низкой мощностью обрабатывает оцифровку и сериализацию. Как сверхпроводящие, так и CMOS части могут работать при 4 К или ниже, с тщательным управлением температурой, чтобы избежать нагрева датчика. Такие компании, как Q-CTRL и SeeQC продемонстрировали гибридные чипы, которые интегрируют датчики тока на основе SQUID с криогенным CMOS ADC для считывания сверхпроводящих кубитов.

Применение в квантовых технологиях

Возможность оцифровки сигналов непосредственно при криогенных температурах преобразует квантовые вычисления, зондирование и метрологию.Каждое приложение предъявляет особые требования к архитектуре ADC, пропускной способности, разрешению и рассеиванию мощности.

Квантовые вычисления Qubit Readout

В сверхпроводящих квантовых процессорах кубиты обычно считываются путем измерения зависящего от состояния резонанса резонатора считывания микроволновой печи. Передаваемый сигнал усиливается параметрическим усилителем Джозефсона (JPA) или параметрическим усилителем движущейся волны (TWPA) и затем понижается до нескольких сотен мегагерц. Криогенные АЦП, размещенные на стадии 4 К, могут оцифровывать этот сигнал средней частоты, устраняя необходимость в длинных коаксиальных кабелям, которые добавляют шум и задержку. Коммерческие системы от Quantum Machines и других уже интегрируют криогенные АЦП в свою управляющую электронику для достижения обратной связи в реальном времени для коррекции ошибок. Целевые характеристики обычно составляют 12-14 бит разрешения при частоте выборки 1-4 ГС/с, с бюджетом мощности менее 100 мкВт на канал.

Квантовые датчики: TES и MKID

Датчики переходного периода (TES) и микроволновые детекторы кинетической индуктивности (MKID) используются в астрофизике, обнаружении темной материи и рентгеновской спектроскопии. TESs производят импульсы малого тока, которые считываются массивами SQUID; выход SQUID затем оцифровывается. Для массивов большого формата (от тысяч до миллионов пикселей) необходимы криогенные ADC с многоканальным мультиплексированием. Например, рентгеновский интегральный полевой блок Athena использует схему мультиплексирования с разделением времени, которая включает в себя SQUID ADC, работающие на 50 мК, для оцифровки 3840 пикселей. Требуемое разрешение составляет 14-16 бит при частоте выборки несколько МГц на пиксель, при общей мощности рассеивания на холодной стадии, ограниченной несколькими милливаттами.

Квантовая метрология и основные стандарты

В Национальном институте стандартов и технологий (NIST) криогенные АЦП используются для реализации квантовых стандартов напряжения на основе соединительных массивов Джозефсона. Объединив программируемый стандарт напряжения Джозефсона с цифровым считыванием, эти системы могут генерировать и измерять напряжения с точностью лучше, чем 1 часть из 109. АЦП в таких системах должен работать при криогенных температурах, чтобы быть физически близким к массиву Джозефсона и сохранять квантовую точность.

Вызовы и материалы для изготовления

Несмотря на впечатляющие характеристики, криогенные АЦП сталкиваются со значительными препятствиями в производстве. Критическая плотность тока, однородность и воспроизводимость переходов Джозефсона через пластину должны жестко контролироваться для обеспечения согласованной работы АЦП. Колебания в области соединения или толщине барьера могут вызывать изменения в глубине модуляции SQUID, ухудшая линейность. Достижения в фотолитографии и осаждении атомного слоя помогают уменьшить эти изменения.

Выбор материалов также имеет решающее значение. Ниобиевы соединения обычно работают при 4 К, но для применения при температурах милликельвина для достижения желаемого сверхпроводящего разрыва необходимы различные материалы, такие как алюминий (Al) или ванадий (V). Для более низких температур характерны переходы Al/AlOx/Al туннелей, но имеют более низкую плотность критического тока, ограничивая скорость. Исследователи изучают нитрид ниобия (NbN) и нитрид ниобия титана (NbTiN) для их более высоких критических температур и больших зазоров, которые позволяют быстрее переключаться.

Термическое управление - еще одна проблема. Проводка между криогенным АЦП и комнатно-температурной электроникой проводит тепло в холодную стадию, требуя тщательной термизации через специализированные криогенные кабели и теплоотводы. Распределение мощности внутри самого АЦП, хотя и небольшое, должно быть тщательно спланировано, чтобы избежать повышения температуры сенсорной среды. Это особенно важно для квантовых датчиков, работающих ниже 100 мК, где даже несколько нановатт тепла могут ухудшить производительность.

Сравнение с обычными АЦП комнатной температуры

Распространенным вопросом является то, может ли высокопроизводительный АЦП комнатной температуры использоваться вне криостата с соответствующим охлаждением. Пока такая установка проще, длинные кабели, необходимые для подключения холодного датчика к теплому АЦП, вносят значительные потери и шум. На микроволновых частотах затухание кабеля может превышать 1 дБ на метр при 4 К, а тепловой шум от самого кабеля добавляет к сигналу. Более того, задержка при отправке сигналов в и из криостата может ограничивать скорости обратной связи для квантовой коррекции ошибок. Криогенные АЦП решают эти проблемы путем оцифровки сигнала в той же низкотемпературной среде, что и датчик, что позволяет снизить задержку и повысить точность.

Внешние ссылки и дальнейшее чтение

Следующие ресурсы обеспечивают дополнительную техническую глубину разработки криогенных АЦП:

• NIST Superconducting Analog-to-Digital Converters Program — Обзор исследований NIST по стандартам напряжения и метрологии с использованием криогенных ADC.
• IEEE Paper: RSFQ-Based ADC с 12 ENOB на 40 GS/s — публикация, описывающая дизайн и характеристику высокоскоростного RSFQ ADC.
• ArXiv Review: Криогенная электроника для квантовых вычислений — широкий обзор, который включает интеграцию ADC с квантовыми процессорами.
• ESA Cryogenic ADC Development for Space — работа Европейского космического агентства по маломощным криогенным ADC для астрофизических приборов.