Supraleitende Verstärker liefern eine hohe Leistung bei geringerem Stromverbrauch

Forscher haben ein neues Konzept rauscharmer supraleitender Mikrowellenverstärker zur Verwendung in Radiowellendetektoren für radioastronomische Beobachtungen entwickelt und erfolgreich einen leistungsstarken gekühlten Verstärker demonstriert, dessen Stromverbrauch um drei Größenordnungen niedriger ist als der von herkömmlichen gekühlten Halbleiterverstärkern . Es wird erwartet, dass dieses Ergebnis zur Realisierung von großformatigen Funkkameras mit mehreren Elementen und fehlertoleranten Quantencomputern beitragen wird, die beide eine große Anzahl von rauscharmen Mikrowellenverstärkern benötigen.

Das verwendete Gerät heißt SIS-Mixer. Der SIS-Mischer ist nach seiner Struktur benannt, einem sehr dünnen Film aus Isolatormaterial, der zwischen zwei Schichten aus Supraleitern (SIS) eingebettet ist. In einem Radioteleskop werden von einer Antenne gesammelte kosmische Radiowellen in einen SIS-Mischer eingespeist und das Ausgangssignal von rauscharmen Halbleiterverstärkern verstärkt. Ein SIS-Mischer arbeitet in einer sehr niedrigen Umgebungstemperatur von nur 4 Kelvin (-269 Grad Celsius), und die Verstärker werden ebenfalls bei dieser Temperatur betrieben.

Um die Leistung von Radioteleskopen zu verbessern, entwickeln Forscher eine großformatige Radiokamera, die mit 2D-Arrays von SIS-Mischern und -Verstärkern ausgestattet ist. Allerdings ist der Stromverbrauch ein limitierender Faktor. Die typische Leistungsaufnahme eines Halbleiterverstärkers beträgt etwa 10 mW, und durch die Montage von 100 Detektorsätzen erreicht die Gesamtleistungsaufnahme die maximale Kühlleistung eines 4-Kelvin-Kühlschranks.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Takafumi Kojima, außerordentlicher Professor am National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), hat eine einfache, aber innovative Idee entwickelt, um einen Supraleiterverstärker durch die Verbindung zweier SIS-Mischer zu realisieren. Das Team nutzt die Grundfunktionen des SIS-Mischers: Frequenzumsetzung und Signalverstärkung. „Der wichtigste Punkt ist, dass der Stromverbrauch eines SIS-Mischers im Prinzip im Mikrowattbereich liegt“, sagt Kojima. „Das sind drei Größenordnungen weniger als bei einem gekühlten Halbleiterverstärker.“

Nach dem Erhalt erfolgreicher vorläufiger Ergebnisse im Jahr 2018 hat das Team sowohl die theoretischen Studien des Systems als auch die physische Implementierung seiner verschiedenen Komponenten vorangetrieben. Am Ende optimierte das Forschungsteam das System und realisierte einen „SIS-Verstärker“ mit 5–8 dB (drei- bis sechsfacher) Verstärkung unterhalb der Frequenz von 5 GHz und einer typischen Rauschtemperatur von 10 K, was mit dem Strom vergleichbar ist gekühlte Halbleiterverstärker wie HEMT und HBT, jedoch mit deutlich geringerem Stromverbrauch.

„Durch die Änderung der Konfiguration der Komponenten können wir die Verstärkung und die Rauscharmut eines SIS-Verstärkers weiter verbessern“, erklärt Kojima. „Die Idee, zwei SIS-Mischer zu verbinden, hat breitere Anwendungsmöglichkeiten für die Herstellung verschiedener Elektroniken, die andere Funktionen als die Verstärkung haben.“

Interessanterweise wird dieser rauscharme Verstärker mit niedrigem Stromverbrauch auch für große fehlertolerante Quantencomputer mit Spannung erwartet. Derzeit verfügbare Quantencomputer sind klein mit weniger als 100 Qubits, aber größere, fehlertolerante Allzweck-Quantencomputer werden mehr als 1 Million Qubits benötigen. Um eine große Anzahl von Qubits zu handhaben, muss auch eine große Anzahl von Verstärkern installiert werden, und es sind drastische Reduzierungen des Stromverbrauchs der Verstärker erforderlich.

NAOJ hat Erfahrung in der Entwicklung von supraleitenden Empfängern für eine Reihe von Radioteleskopen, darunter das 45-Meter-Radioteleskop Nobeyama von NAOJ, das 1982 in Betrieb genommen wurde. NAOJ arbeitet derzeit auch an der Aufrüstung der supraleitenden Empfänger, um die Leistung des Atacama Large Millimeter zu verbessern /submillimeter Array (ALMA), das in der Republik Chile in Zusammenarbeit mit Ostasien, Europa und Nordamerika betrieben wird.

Von den 10 Arten von Empfängern (entsprechend 10 verschiedenen Frequenzbändern), die derzeit auf ALMA installiert sind, wurden drei von NAOJ entwickelt, und die SIS-Chips im Herzen dieser Empfänger wurden ebenfalls im Reinraum des NAOJ Advanced Technology Center ( Flugsicherung). Das NAOJ ATC fördert weiterhin die Forschung zur Miniaturisierung und Integration supraleitender Schaltkreise, nicht nur für die Realisierung leistungsfähigerer Radioteleskope, sondern auch für ihr Potenzial als Grundlage verschiedener Technologien, die die Gesellschaft in der neuen Ära unterstützen werden, wie z. B. Quanten rechnen.

Diese Forschungsergebnisse wurden im Artikel „Characterization of a Low-noise Supraconductor-Insulator-Supraconductor-based Microwave Amplifier with Local Oscillator Phase-adjusting Architecture“ in vorgestellt Angewandte Physik Briefeveröffentlicht am 14. Februar 2023.