Сверхпроводниковые схемы обзавелись компактным и быстрым переключателем

Физики разработали интегральный сверхпроводниковый переключатель микроволновых сигналов. Внедрение этого элемента позволит перестраивать схемы и операции над сверхпроводниковыми кубитами быстро и в широком диапазоне. А интегральное исполнение и размеры — легко интегрировать в существующие схемы. Работа опубликована в журнале Physical Review Applied.

Сверхпроводниковые вычислители очень активно развиваются и масштабируются в сложные системы. Есть несколько путей этого развития: усовершенствование и модификация технологии производства чипов — многослойные пленки, квазидвумерные оригами-структуры или гибкие перестраиваемые схемы. У второго варианта есть еще преимущества — можно калибровать схему с использованием меньшего числа входов-выходов и делать сложные перестраиваемые операции.

Существующие варианты переключателей для реализации гибких управляемых схем имеют разные недостатки: большой размер, медленное переключение, узкий диапазон работы по частотам или нагрев, что очень нежелательно для сверхпроводниковых схем. В схемах с оптическим диапазоном длин волн (в сверхпроводниковых схемах он микроволновый) сигналы переключают перекачкой излучения из одного волновода в другой под действием внешнего поля.

Команда физиков под руководством профессора Университета науки Токио Цая Чжаошена (Jaw-Shen Tsai) решили реализовать эту идею для микроволнового излучения. Учитывая проблемы существующих переключателей, авторы разработали миниатюрное устройство, которое может работать в широком диапазоне частот. Они выяснили, что подобрать оптимальные параметры переключателя оказывается реально, если уменьшить длину волны проходящего сигнала.

Работу устройства можно сравнить с работой электрической цепи, состоящей из катушек индуктивности и конденсаторов. Две такие цепи могут взаимодействовать друг с другом за счет взаимоиндукции — изменение тока в одной катушке приводит к изменению тока в другой. Аналог катушек в сверхпроводящей схеме — Джозефсоновские переходы, а взаимодействие реализует интерферометр из двух таких переходов, его называют СКВИД (superconducting quantum interference device).

Схему выключателя физики полностью напечатали на кремниевом чипе методами УФ-литографии, напыления и травления. Это классическая технология, поэтому такой процесс производства будет легко внедрить в уже существующий для других сверхпроводящих элементов.

Тестирование устройства и проверку его параметров физики проводили в несколько этапов. Сначала они измеряли зависимость коэффициенты пропускания между для разных пар каналов (S-параметры) от частоты и внешнего магнитного потока. Как и ожидалось, эта зависимость имеет периодический характер и резко меняет свое поведение вблизи значений в половину квантового магнитного потока, что свойственно для СКВИДа. Потом авторы проверяли, с какой максимальной мощностью излучения может работать переключатель. На этот вопрос помогает ответить зависимость S-параметров от мощности: до определенного момента она линейна, но как только ток в цепи становится больше критического (для перехода Джозефсона), то S начинает спадать. Точка спадания и соответствует максимальной рабочей мощности, в эксперименте она получалась равной 10 пиковаттам.

Кроме этого исследователи следили за качеством переключения, отслеживая как параметры S зависят от внешнего магнитного потока при разных фиксированных частотах. Оказалось, что при больших значениях магнитного потока переключатель становится менее чувствителен, что необходимо учитывать при его калибровке. На финальном этапе ученые измеряли время переключения и выяснили, что оно ограничено временем работы внешней катушки, которая регулирует магнитный поток. Время работы переключателя составило всего 136 пикосекунд.

Несмотря на прогресс сразу во мних параметрах схемы для переключения, авторы отмечают, что технически их можно улучшать и масштабировать на большее число каналов в рамках начального подхода или использовать другие.

Если рассматривать сверхпроводниковые цепи в широком смысле, то управление с помощью магнитного потока используют не только в переключателях: его можно применяют и для управления кубитами. Такие кубиты разработали российские физики и называли их флаксониевыми. А наибольших успехов в масштабировании удалось достичь при создании сверхпроводниковых камер.