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Pesquisadores criaram um novo conceito de amplificadores supercondutores de micro-ondas de baixo ruído para uso em detectores de ondas de rádio para observações de radioastronomia e demonstraram com sucesso um amplificador resfriado de alto desempenho com consumo de energia três ordens de magnitude menor que o dos amplificadores semicondutores resfriados convencionais. Espera-se que este resultado contribua para a realização de câmeras de rádio multielementos em larga escala e computadores quânticos tolerantes a erros, os quais requerem um grande número de amplificadores de micro-ondas de baixo ruído.
O dispositivo que eles usaram é chamado de mixer SIS. O misturador SIS recebe o nome de sua estrutura, um filme muito fino de material isolante imprensado entre duas camadas de supercondutores (SIS). Em um radiotelescópio, ondas de rádio cósmicas coletadas por uma antena são alimentadas em um misturador SIS, e o sinal de saída é amplificado por amplificadores semicondutores de baixo ruído. Um mixer SIS opera em um ambiente de temperatura muito baixa, tão baixo quanto 4 Kelvin (-269 graus Celsius), e os amplificadores também são operados nessa temperatura.
Para melhorar o desempenho dos radiotelescópios, os pesquisadores estão desenvolvendo uma câmera de rádio de grande formato equipada com matrizes 2D de misturadores e amplificadores SIS. No entanto, o consumo de energia é um fator limitante. O consumo de energia típico de um amplificador semicondutor é de cerca de 10 mW e, ao montar 100 conjuntos de detectores, o consumo total de energia atinge a capacidade máxima de resfriamento de um refrigerador de 4 Kelvin.
A equipe de pesquisa liderada por Takafumi Kojima, professor associado do Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ), teve uma ideia simples, mas inovadora, de criar um amplificador supercondutor conectando dois misturadores SIS. A equipe explora as funções básicas do mixer SIS: conversão de frequência e amplificação de sinal. “O ponto mais importante é que o consumo de energia de um mixer SIS é, em princípio, tão baixo quanto microwatts”, diz Kojima. “Isso é três ordens de magnitude menor do que um amplificador semicondutor refrigerado.”
Depois de obter resultados preliminares bem-sucedidos em 2018, a equipe avançou tanto nos estudos teóricos do sistema quanto na implementação física de seus vários componentes. No final, a equipe de pesquisa otimizou o sistema e criou um “amplificador SIS” com ganho de 5 a 8 dB (três a seis vezes) abaixo da frequência de 5 GHz e uma temperatura de ruído típica de 10 K, comparável ao amplificadores de semicondutores resfriados atuais, como HEMT e HBT, mas com consumo de energia muito menor.
“Mudando a configuração dos componentes, podemos melhorar ainda mais o ganho e o desempenho de baixo ruído de um amplificador SIS”, explica Kojima. “A ideia de conectar dois mixers SIS tem aplicações mais amplas para fazer vários eletrônicos que possuem outras funções além da amplificação.”
Curiosamente, esse amplificador de baixo ruído e baixo consumo de energia também é altamente esperado para computadores quânticos tolerantes a erros em larga escala. Os computadores quânticos atualmente disponíveis são de pequena escala com menos de 100 qubits, mas os computadores quânticos de propósito geral tolerantes a erros de maior escala exigirão mais de 1 milhão de qubits. Para lidar com um grande número de qubits, um grande número de amplificadores também deve ser instalado, e reduções drásticas no consumo de energia do amplificador são necessárias.
O NAOJ tem experiência no desenvolvimento de receptores supercondutores para vários radiotelescópios, incluindo o Radiotelescópio Nobeyama de 45 metros do NAOJ, que começou a operar em 1982. O NAOJ também está trabalhando atualmente para atualizar os receptores supercondutores para melhorar o desempenho do Atacama Large Millimeter /submillimeter Array (ALMA), que é operado na República do Chile em cooperação com o Leste Asiático, Europa e América do Norte. Dos 10 tipos de receptores (correspondentes a 10 bandas de frequência diferentes) atualmente instalados no ALMA, três foram desenvolvidos pelo NAOJ, e os chips SIS no coração desses receptores também foram desenvolvidos e produzidos na sala limpa do NAOJ Advanced Technology Center ( CTA). O NAOJ ATC continua a promover a investigação sobre a miniaturização e integração de circuitos supercondutores, não só para a realização de radiotelescópios mais potentes, mas também pelo seu potencial como base de várias tecnologias que darão suporte à sociedade na nova era, como a quântica Informática.
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