Kuantum Sensing ve Temel Fizik Araştırması için Ağojenik Adcss

Son zamanlarda krigen analog-dijital dönüştürücüler (ADC) atomik sinyallerin algılanması ve kuantum algılamadaki ölçümlerin ve temel fizik araştırmalarının uygulanması.Influgen Analog sıfırın yakınında, bu özel ADC'lerin, tarihsel olarak alt atomik sinyallerin tespit edilmesi ile ilgili olarak kısıtlanan termal gürültü sınırlamalarının üstesinden gelinmesi, süper iletken malzemeler, yeni devre mimarisi ve asimetrik bir şekilde yapılan deneylerin ötesindeki hızları araştırır.

Ağojenik Analog-to- Dijital Dönüşüm

Neden Krigen Sıcaklıkları?

Oda sıcaklığında, termal gürültü - ADC ortamının 4 K veya altında (tipik helium veya dillendirme buzdolabı operasyonu) bu gürültü zeminini dramatik olarak azaltır.[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD][/FONT) kritik sıcaklıkların altında üretilen ve kuantum sistemleri olmadan üretilen dakika elektrik sinyalleri azaltır.

Low Sıcaklıklarda Konvansiyonel ADCs meydan okumaları

Standart silikon tabanlı ADCs, ağostatı ısıtdığında ciddi bir bozulma yaşar, %77 K. Carrier don-out in doped yarı iletkenleri kullanarak bu sorunları ortadan kaldırır ve kuantum mekanik etkilerini en az ısı nesli ile dönüştürmeye teşvik eder.

Anahtar Performans Metrikleri

Ağojenik ADC'ler için kritik parametreler, 70 dB'den daha iyi olan, sinyal enerjilerinin 10 ° C (SFDR) kadar düşük olabileceği kuantum algılama için gerekli olan faz koherensleri ile 20 GHz örnekleme gösterir.

Süper Binalar

Josephson Junction-Based ADCs

Hızlı tek flux kuantum (RSFQ) mantık ailesi, frekansın yüksek çözünürlükte olduğunu gösteren bu pulbızların bir akışına dönüşerek çalışır.The fast single flux kuantum (RSFQ) logic family forms the basic of many cryogen ADCs.In RSFQ technology, digital information is performed by nicel speed the circuits. Son tasarımlar, geleneksel flaş ADCs'nin ötesinde lineerity elde etmek için iki yönlü nabızlı hıza sahiptir.

SAR ve Borulu Süperilet ADCs

Başarıcı yaklaşım kaydı (SAR) ve boru hattı mimarileri de krigen operasyonu için uyarıldı. Superconducting SAR ADCs'nin Josephson klübüslerinden ikili arama yapmak için yapılan kriyoperleri kullanması, 10 GS /s'in gücü tüketimine sahip olmak, bu tasarımların avantajı daha düşük devre karmaşıklığı ve verimini artıran bir dizi kavim.

Yaklaşımların Karşılaştırması

RSFQ ADCs en yüksek hız ve lineerlik sunar ancak gürültü şeklinde dönüşüm için dijital bir geri dönüş gerektirir: kuantum hesaplaması çok yüksek hız gerektirir, daha düşük örnekleme oranlarına öncelik verirken, gelecekteki sistemler hem de düşük gürültüyü çiğ bant genişliğine karşı bir şekilde birleştirebilirsiniz.

Malzemeler ve Fabrication Advances

Niobium ve alüminyum Superconductors

Ağerojenik ADC imalatının iş yolları niobium (Nb) ve alüminyum (Al) Niobium 9.2 K'nin kritik bir sıcaklık sergiliyor, sıvı helium kriyostatları için uygun hale getiriyor. Josephson klümler, iki niobium elektrotoksit arasındaki ince alüminyum oksit tünel bariyeri ile oluşur.Bu bariyerin kalitesi ADC lineerliği belirleyen 10 × 10 modüle sahip çok sayıdaki modüle sahiptir.

Gelişen Malzemeler: Graphene ve High-Tc Superconductors

4 K üzerindeki operasyon gerektiren uygulamalar için, daha ucuz ağocoolers'de ADC operasyonu etkinleştirilebilecektir. ancak, Manchester'nin imalatı tahıl sınır etkileri nedeniyle zorlu kalır: Atom inceliği, kapı kaynaklı Josephson kavimleri, daha ucuz bir aDC mimarisine olanak sağlar.

CMOS Ağojenik Elektronik ile entegrasyon

Büyük bir trend, dijital işleme ve bellek için heterojen bir entegrasyon (TSV), yoğun bağlantıların minimum ısıtılmasına izin verir.For Bu yaklaşım, Wisconsin-Madison tarafından yapılan en iyi projedir: düşük seviyeli bir RSFQ ADC serisini dijital işleme ve bellek için entegre eder.

Signal Durumlama için Krigenal amplifikatörler

Low-Noise Amplifier Design

Bir analog sinyal ADC'ye ulaştıktan önce, daha düşük gürültü ile geliştirilmiş olmalıdır. Ağojenik HEMT (Yüksek Elektron Hareketli Transistor) InP ve GaAs'ya göre, ilk aşama için yaygın olarak kullanılan, 2 K. Daha düşük gürültü ile gürültü sıcaklıklar elde etmek için, Josephson parametrik yükselticiler (JPS) bir Kelvin'in bir kısmını yaklaşan gürültü dalgaları ile sınırlı bir şekilde genişletilebilir.

Termal Yönetim ve Gürültü Eşleşme

ADC'ye yükselticiyi azaltmak, hem yükseltici hem de ADC girişini azaltmak için dikkatli bir şekilde uygun bir şekilde eşleştirme gerektirir: amplifiğe sahip olan ve ADC genellikle NbTi veya alüminyumdan yapılan sinyal, ısı sızıntılarından kaçınmak için birden çok aşamada geliştirilmiştir. Advanced paketleme, hem de amplifikatör ve ADC girişi, en iyi ısı iletkenliği için bakır substratı ile gömülüdür.

Kuantum Sensing Uygulamaları

Süperiletme Qubit Readout

Belki de en talep edilen uygulama, süper iletkenlerin okunuşudur. Bu işaretli ağlayıcı algoritmaları, ~50 mK'da çalışır, ADC'nin doğrudan kontrolünün ve doğruluğunun azaltılması, 10bit, 20 GS / ADC'nin dörtlülüğün üzerindeki hız ve doğruluk, 10 °C'nin altındaki hataların azaltılması için yeterli hassaslığı çözebileceğini gösteriyor[TFL-D)

SQUIDs ve Kuantum Magnetometreler

SQUID sensörleri, bir RSFQ ADC ile manyetik floreksiyonu dönüştürerek performans geliştirir[DD) 10 ^{-14[D) Aşağıdaki 10 inçlik bir optik ayar ile, bu tür cihazlar geofiziksel olarak yapılan, beyin görüntüleme (bir RSFQ ADC ile doğrudan entegrasyon) ve arama manyetik monopolesiste yönelik olarak kompakt bir mıknatıslar sağlar.}

Axion ve Dark Matter Searches için Resoners

ADMX (Axion Dark Matter Deney), güçlü bir manyetik alanda yırtıklanmış, 100 MHz ve 12bit çözünürlüğüne göre, oluşan kuvvet (daha önceki sistemlerden 100 GHz'den daha düşük) bir frekans aralığına dönüşen bir optik aDC'nin (örneğin,) bir optik diskoparlama işlemine izin veren bir şekilde, frekans spektrumu kullanarak, frekans spektrumunu kullanarak, ortalama 10'dan fazla süre boyunca (D) bir şekilde indirme yeteneğinin yüksek çözünürlükte bir şekilde azaltıldığı gibi.

Temel Fizik Üzerine Etkisi

Makrooskopik Ölçeğin Kuantum Mekaniği Test

Ağojenik ADCs, kuantum devletlerini makroskobu süperpozisyonlara yerleştirmek için deneylerde önemli bir rol oynamaktadır. Örneğin, optomechanical sistemlerde, bir ayna, Ghirardi-Rimini-Weber (GRW) gibi önerilen modelleri çökertme nedeniyle sapmaları ortaya çıkarabilir.

Dark Matter Tespiti

Axions'ın ötesinde, krigen ADC'ler, ADC'yi zayıf bir şekilde etkileşime sokmak için doğrudan algılama deneylerinde kullanılır (WIMPs). ADC zaman projeksiyon odaları (eski LUX-ZEPLIN gibi) küçük iyonizasyon ve scintillasyon sinyalleri üretir. Bunlar, ADC'yi karanlık madde algılama için aynı sıcaklıkta tutanaklar için aynı sıcaklıkla işlenir.

Yavaşça dalga algılaması ve Ötesinde

Üçüncü nesil çekim dalga gözlemleyicileri, örneğin Einstein Teleskobu ve Cosmic Explorer gibi, ısı gürültüyü azaltmak için kriyojenik aynalar gerektirecektir.Bu interferometrelerin okuması, LISA gibi uzay tabanlı dedektörleri de içerir (Laser Interferometresi)

Future Path and Technological Outlook

Kuantum Süreçörleri ile entegrasyon

Nihai vizyon, şu anda 1000'den fazla sayıda qubit ve okunan elektronikler arasındaki eşanlı kabloların ihtiyaçlarını ortadan kaldıracaktır. IBM'in son derece karmaşık bir şekilde ortaya koyduğu, 2×2 qubit serisi ve 4 K.Scaling to binlerce qubits, şu anda daha yüksek çoklu güç ve daha düşük güçle ADC'ye sahip olan kabloların yüksek düzeyde geliştirilmesini gerektirecektir.

Uzaya Dayalı Ağojenik Sistemler

Uzay teleskopu ve Athena X-ray gözlemleyici planı, ağojenik dedektörlerin üzerinde kanal içi ağartıcı ADCs'leri kullanarak 50 mK'da 4 K'e özel zorluklar sunuyor: güç dağılımı, kriyopi kapasitede kalmak için en aza indirgenmelidir ve radyasyon sertliği gereklidir.

Scalability and Energy Verimliliği

Ağojenik ADC'lerin ticari uygulanabilirliği, 100 kA /cm2'nin üzerindeki kritik akım kesintileri ile gelişmektedir. Aynı zamanda, enerji verimliliği, RSFQ devreleri için dc önyargı yerine, 10. faktör tarafından azaltılabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Ağojenik ADCs, bazı hassas bilimsel cihazlar için teknolojilere izin vermek için laboratuvar curiositylerinden geçiş yaptı. En son araştırma ile aşırı düşük sıcaklıklarda çalışma yeteneği, IEEE International Superconductive Electronics Conference ve yayınlardan N Quantum devre tasarımına yeni pencereler açtı.