Forscher am Nationalen Astronomischen Observatorium Japans (NAOJ) haben einen neuartigen Mikrowellenisolator erfunden und erstmals sein Grundprinzip demonstriert, das kleine Isolatoren ermöglicht; unverzichtbar für zukünftige Quantencomputer. Dieser Isolator besteht aus zwei Frequenzmischern, die häufig in Empfängern für Radioteleskope eingesetzt werden, und ebnet den Weg für die Entwicklung großformatiger Multipixel-Radiokameras. Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht IEEE-Briefe zur Mikrowellen- und drahtlosen Technologie.
Ein Isolator ist eine elektronische Komponente, die die Richtung der Signalausbreitung steuert und in verschiedenen Instrumenten verwendet wird, darunter Quantencomputer und Radioempfänger für die Astronomie.
Herkömmliche Isolatoren verwenden magnetische Materialien, was es prinzipiell schwierig macht, einen Isolator zu bauen, der kleiner als einige Zentimeter ist. Dies ist ein Hindernis für die Realisierung großer Quantencomputer mit einer Million Qubits. Derzeit realisierte Quantencomputer verfügen nur über etwa 100 Qubits, und um diese Zahl um den Faktor 10.000 zu erhöhen, wäre eine große Anzahl von Komponenten, einschließlich Isolatoren, erforderlich, die jeweils miniaturisiert werden müssten. Das gleiche Problem besteht bei der Entwicklung großformatiger Kameras für radioastronomische Beobachtungen.
In dieser neuen Studie verwendete das Forschungsteam anstelle magnetischer Materialien zwei Sätze von Frequenzmischern als Isolator und demonstrierte das Prinzip sowohl theoretisch als auch experimentell. „Dem liegt ein völlig neues Prinzip zugrunde“, sagt Sho Masui, Projektforscher am NAOJ Advanced Technology Center (ATC). „Wir haben ein neuartiges Schaltungsgerät im Mikrowellenband geschaffen. Es ist auch aus elektrotechnischer Sicht von Bedeutung, da der neue Isolator hochskalierbare Schaltungen bereitstellen kann.“
Einer der größten Skalierbarkeitsvorteile ist die Tatsache, dass der neue Isolator vollständig in einer flachen Schaltung auf einer Leiterplatte konfiguriert werden kann. Dies bedeutet, dass ein Isolator mit integrierten Schaltkreisen auf den Millimeterbereich miniaturisiert werden kann, was im Volumen 1.000 Mal kleiner ist als herkömmliche Isolatoren.
Das Forschungsteam strebt höhere Ziele an; Sie beschäftigen sich mit der Entwicklung von Isolatoren, die auch Signale verstärken können. Die in Funkbeobachtungsgeräten weit verbreiteten Frequenzmischer sind Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Mischer (SIS-Mischer), deren Aufgabe es ist, Signale zu verstärken. Bei dieser Entwicklung wird ein handelsüblicher Halbleitermischer als Frequenzmischer verwendet. Wenn stattdessen ein SIS-Mischer verwendet wird, wird ein neues Gerät realisiert, das sowohl Signale verstärkt als auch als Isolator fungiert.
„Radiowellen-Beobachtungsgeräte und Quantencomputer haben einige gemeinsame Entwicklungselemente“, sagt Yoshinori Uzawa, NAOJ-Direktor für Technik. „NAOJ hat Kenntnisse in der Entwicklung von Beobachtungsinstrumenten für Radiowellen sowie sichtbares und infrarotes Licht gesammelt. Vor kurzem haben wir das Social Implementation Program im NAOJ ATC eingerichtet und ein Projektteam gebildet, um die technologische Entwicklung für die Anwendung von Quantencomputern voranzutreiben. Wir werden weitermachen.“ Durchbrüche in diesen beiden Bereichen zu entwickeln.“
Mehr Informationen:
Sho Masui et al., Ein neuartiger nichtreziproker Mikrowellenisolator basierend auf Frequenzmischern, IEEE-Briefe zur Mikrowellen- und drahtlosen Technologie (2023), DOI: 10.1109/LMWT.2023.3253124