авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Малошумящие низкотемпературные усилители свч диапазона для квантовых измерений

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Иванов Борис Игоревич

МАЛОШУМЯЩИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ СВЧ ДИАПАЗОНА ДЛЯ КВАНТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Специальности: 05.12.07- Антенны, СВЧ- устройства и их технологии,

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск

2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Ильичев Евгений Вячеславович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Разинкин Владимир Павлович

кандидат технических наук

Аубакиров Константин Якубович

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», г. Новосибирск

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета К 212.173.01 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, Новосибирск, проспект К. Маркса 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ

Автореферат разослан «18» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Райфельд М. А.

Диссертация посвящена исследованию и разработке СВЧ фильтров с широкой полосой подавления и малошумящих усилителей для низкотемпературных измерительных систем состояний физических объектов, выполненных на основе трехконтактных сверхпроводниковых потоковых кубитов и сверхпроводящих квантовых интерференционных детекторов. Полученные теоретические и экспериментальные результаты позволяют существенно увеличить точность измерений состояний квантовых объектов при рабочих температурах, предельно приближающихся к температуре абсолютного нуля. За счет использования новых технологий и материалов разработанные фильтры не имеют паразитных полос пропускания, а широкополосные СВЧ усилители обладают шумовой температурой, близкой к предельно достижимой.

  • Общая характеристика работы

Актуальность темы

За последние 50 лет произошел большой скачок в технологии изготовления электронных микро и наноструктур. Идея создания квантового компьютера относится к одной из наиболее актуальных в век высоких технологий. Согласно закону Мура, количество транзисторов в современных микропроцессорах, а соответственно и их скорость, удваиваются каждые 18 месяцев. Основной способ сделать их существенно более быстрыми заключается в уменьшении размера транзистора, поэтому рано или поздно транзисторы будут столь малы, что каждый из них будет состоять из нескольких десятков атомов. В этом случае пренебрежение квантомеханическими эффектами в таких структурах станет недопустимым, а классические принципы построения современных компьютеров перестают работать. Основой квантового процессора является квантовый бит (кубит), представляющий собой двухуровневую квантовую систему. В такой системе информация хранится в виде волновой функции, являющейся суперпозицией волновых функций двух квантовых состояний. Процесс вычислений протекает в виде эволюции квантовой системы, при которой изменяется волновая функция кубита или целой группы кубитов. На сегодняшний день простейшие квантовые биты уже реализованы на основе ядерных спинов; атомных или ионных ловушек; туннельных Джозефсоновских контактов. Одним из перспективных типов квантовых битов являются трехконтактные сверхпроводниковые потоковые квантовые биты на основе Джозефсоновских контактов (далее как сверхпроводниковые кубиты).

Как правило, характерная частота кубита лежит в пределах гигагерцового диапазона частот при температурах ниже 50 мК. Поэтому особую актуальность получают сейчас такие СВЧ устройства как высокочувствительные детекторы, входящие в состав измерительного оборудования для определения состояний кубитов. При экспериментальной реализации устройств для лазерной генерации, система кубитов помещена в квантовый резонатор, выполненный на основе СВЧ копланарной линии передачи (рис. 1.). Тогда стимулированный переход между рабочими уровнями, приведет к передаче энергии от кубитов в резонатор в виде фотонов с энергией . Для этого квантовый резонатор должен быть настроен в соответствии с разницей энергий между рабочими уровнями кубита. Частота настройки такого резонатора лежит в пределах 1-10 ГГц. Следовательно, помимо создания считывающих высокодобротных сверхпроводящих СВЧ резонаторов, необходимо разработать фильтры, усилители и другие малошумящие устройства для измерительной системы кубит-СВЧ резонатор. Электронная фотография высокого разрешения (микрограф) сверхпроводникового кубита, связанного с СВЧ резонатором, изображена на рис. 1b.

Для современных криогенных физических систем всё более широкое применение находят новые высокочувствительные типы СВЧ детекторов на основе эффекта сверхпроводимости, квантования магнитного потока и эффекта Джозефсона. Пороговая чувствительность таких приборов может достигать энергии одного фотона. Одним из примеров высокочувствительных СВЧ детекторов магнитного поля является Сверхпроводящий Квантовый Интерференционный Детектор (СКВИД, англ. SQUID). Расширение частотного диапазона таких детекторов является актуальной задачей при разработке измерительного оборудования.

Для систем считывания сверхпроводниковых кубитов и для измерений состояний СКВИДов требуются малошумящие СВЧ устройства.
При этом актуальными являются задачи разработки и оптимизации трактов передачи СВЧ сигналов, а также обеспечение широкополосного подавления шумов и помех в цепях управления и питания. Рассматриваемые устройства предназначены для работы при сверхнизких температурах, а рассеяние тепловой мощности на них должно быть сведено к минимуму.

В современных работах показано, что время декогеренции квантовой системы уменьшается в результате действия шума измерительного оборудования. Следовательно, в ВЧ и СВЧ измерительных системах сверхпроводниковых кубитов необходимо для заданной полосы частот обеспечить большую полосу подавления в сигнальных линиях и линиях смещения кубита постоянным магнитным потоком. Кроме того, необходимо снижать шумовую температуру малошумящего усилителя. В настоящее время для усиления сигналов используются, как правило, полупроводниковые усилители на основе арсенида галлия (GaxAsy). В диапазоне криогенных температур их мощность рассеяния составляет единицы милливатт, при шумовой температуре около 10 К. При такой шумовой температуре требуется производить долгое усреднение сигнала, что является затратным с точки зрения времени измерения и «чистоты эксперимента». Поэтому нужны новые решения, одними из которых является использование гетероструктурных биполярных транзисторов (ГБТ) или усилителей ВЧ сигналов на основе ПТ СКВИД (Сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор постоянного тока).

Помимо шумов измерительного оборудования, существует собственный шум квантовой системы, в виде шума Джозефсоновских контактов, определение которого, также является актуальной задачей.

Цели диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка новых видов малошумящих СВЧ устройств для квантовых измерений состояний сверхпроводниковых квантовых битов и снижение уровня шума измерительной системы, путем использования новых конструктивных и технологических решений.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

  1. Провести анализ и выявить преимущества и недостатки существующих криогенных фильтров нижних частот СВЧ диапазона с широкой полосой подавления.
    Исследовать существующие способы обеспечения широкой полосы подавления СВЧ криогенных полосно-пропускающих фильтров (ППФ).
  2. Исследовать схемотехнические и конструктивные решения существующих криогенных малошумящих СВЧ усилителей для квантовых измерений. Провести анализ стабильности их работы при криогенных температурах, оценить шумовые и усилительные свойства.
  3. Разработать новые типы криогенных фильтров СВЧ с широкой полосой подавления и малыми диссипативными потерями. Исследовать свойства таких фильтров при температуре 4,2 К.
  4. Разработать новые типы измерительных малошумящих СВЧ усилителей, основу которых составляют гетероструктурные биполярные транзисторы. Исследовать свойства усилителей при 4,2 К.

 Квантовая система кубит- СВЧ-3

Рис. 1. Квантовая система кубит- СВЧ резонатор: а) изображение копланарного СВЧ резонатора, связанного с кубитом, место расположения кубита показано стрелочкой; b) Микрограф трехконтактного сверхпроводящего потокового квантового бита, связанного с СВЧ резонатором, сделанный электронным микроскопом высокого разрешения. Данные структуры были изготовлены в Институте Фотонных Технологий (IPHT Jena).

  1. Разработать ВЧ усилители повышенной чувствительности на основе ПТ СКВИДа. Выполнить анализ их усилительных и шумовых свойств.
  2. Исследовать влияние технологии изготовления туннельных Джозефсоновских контактов на структуру и форму барьера AlxOy и, как следствие, на шумовые и сигнальные свойства измерительного тракта кубит- СВЧ резонатор.

Объект исследования

Высокоизбирательные СВЧ фильтры и криогенные СВЧ усилители для малошумящих систем измерений состояний квантовых объектов.

Предметом исследования являются способы увеличения затухания в полосе подавления СВЧ фильтров различного типа и уменьшение шумовой температуры криогенных СВЧ усилителей.

Методы исследования

Решение перечисленных выше задач выполнено с применением: методов функционального анализа; дифференциального и интегрального исчисления; теории матриц; теории цепей; теории электромагнитного поля; теории фильтров; компьютерного моделирования и экспериментальных измерений.

Научная новизна

1. Разработаны новые типы криогенных фильтров нижних частот на основе мелкозернистых порошковых структур, отличающиеся от своих аналогов широкой полосой подавления до 45 ГГц и большим внеполосным затуханием по уровню 70 дБ. Предложенные фильтры обладают стабильными амплитудно-частотными и линейными фазо частотными характеристиками при сверхнизких температурах, вплоть до 10 мК.

2. Разработан новый узкополосный СВЧ криогенный ППФ на шпилечных резонаторах с плавно-нерегулярными отрезками линий передач для частотной селекции во входных СВЧ цепях измерения характеристик состояний сверхпроводниковых кубитов, работающих при температурах ниже 50 мК на частотах 0,1-10 ГГц. Фильтр отличается широкой полосой подавления до 10 ГГц по уровню 40 дБ и стабильной работой при температурах ниже 4,2 К.

3. Впервые создан новый широкополосный малошумящий СВЧ усилитель на основе SiGe гетероструктурного биполярного транзистора (ГБТ) с рабочим диапазоном частот от 1 кГц до 500 МГц. Усилитель отличается от своих аналогов малой потребляемой мощностью 720 мкВт и низкой шумовой температурой 1,4 К при рабочей температуре 4,2 К.

4. Экспериментально исследован новый тип малошумящего криогенного ВЧ усилителя на основе ПТ СКВИДа, спектральная плотность шума магнитного потока которого составляет 2 мкФ0/Гц в полосе частот до 8 МГц.

5. Экспериментально исследована микроструктура туннельного Джозефсоновского контакта Al/AlxOy/Al, входящего в структуру сверхпроводниковый кубит- СВЧ резонатор, изготовленного по технологии «теневого напыления» и определен источник собственных шумов.

Практическая значимость работы

1. Разработанные в диссертации новые частотно-селективные устройства с повышенным затуханием в полосе подавления позволяют существенно уменьшить влияние шумов измерительных систем и внешних электромагнитных помех при исследовании состояний квантовых объектов.

2. Создан опытный образец предложенного криогенного СВЧ усилителя на основе германиево-кремниевых гетероструктурных биполярных транзисторов, который был использован для исследования частотных свойств ПТ СКВИДов, а так же для усиления сигналов в RSFQ (англ. Rapid Single Flux Quantum) системах.

3. Результаты экспериментального исследования ПТ СКВИДов показывают перспективность их использования в качестве малошумящих криогенных СВЧ усилителей с чувствительностью, близкой к предельно достижимой (около квантовой).

4. Предложена эпитаксиальная технология изготовления туннельных Джозефсоновских контактов, что обеспечивает уменьшение собственных шумов структуры сверхпроводниковый кубит- СВЧ резонатор.

Положения, выносимые на защиту

1. Коаксиально-порошковые криогенные СВЧ фильтры нижних частот обеспечивают широкую полосу подавления до 45 ГГц по уровню затухания 70 дБ за счет распределенного характера диссипативных потерь свойств порошковой структуры.

2. Криогенный ППФ на шпилечных резонаторах с плавно-нерегулярными линиями передачи обеспечивает затухание по уровню 40 дБ в диапазоне частот 0,1-10 ГГц и применим с полосой пропускания 0,5-1 % при температурах ниже 4,2 К.

3. Предложенный широкополосный малошумящий усилитель на основе SiGe гетероструктурного биполярного транзистора позволяет достигнуть шумовой температуры 1,4 К в диапазоне рабочих частот от 1 кГц до 500 МГц.

4. Предложенный широкополосный малошумящий криогенный ВЧ усилитель на основе ПТ СВКИДа обладает порогом чувствительности 2 мкФ0/Гц в диапазоне частот до 8 МГц.

5. Результаты исследования микроструктуры Джозефсоновского контакта Al/AlxOy/Al для кубита, связанного с СВЧ резонатором, и изготовленного по технологии «теневого напыления», позволяют оптимизировать технологию изготовления таких структур с целью понижения собственных шумов структуры кубит- СВЧ резонатор.

Авторский вклад

В работе [2] автору принадлежит расчет параметров шума выбранного транзистора при температуре 4,2 К, моделирование криогенного усилителя, реализация усилителя и экспериментальное исследование. В работе [3,5] автором была разработана измерительная установка, входящая в состав охладительной системы, проведены измерения рабочих и шумовых характеристик ПТ СКВИДов. В работе [4] предложена ВЧ схема ПТ СКВИДа как малошумящего усилителя, связанного с потоковым сверхпроводниковым кубитом.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены в усилительно-фильтрующие блоки измерительной установки в лаборатории квантовых исследований Института фотонных технологий, г. Йена, Германия (IPHT Jena, Germany). Все внедрения подтверждены соответствующими актами.

Апробация

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

  1. 15-ый Юбилейный Международный Студенческий Семинар, посвященный «Новым Физическим Эффектам и их Применению в Микроволновой и Оптической технике». Санкт- Петербург, Россия, май 19-21, 2008.
  2. Савойская международная конференция по сверхпроводящей электронике. Шамбери, Франция, май 27-28, 2010.
  3. Международная конференция-школа-семинар по нанофизике и наноэлектронике «Мезоскопические структуры в фундаментальных и прикладных исследованиях (МСФП 2010)». Новосибирск (Чемал), Россия, июнь 20-25, 2010.
  4. Десятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2010). Новосибирск, Россия, 22-24 сентября, 2010.
  5. Международная конференция по криогенной электронике «KRYO 2011». Гренобль (Отран), Франция, октябрь 2-5, 2011.

Отдельные результаты работы докладывались на научных семинарах в Институте Фотонных Технологий города Йена, Германия (IPHT Jena, Germany) и кафедре Конструирования и технологии радиоэлектронных средств, НГТУ, Новосибирск.

Основные результаты, составившие представленную диссертационную работу, были получены в ходе исследований, проводимых в период с 01.10.2008-15.08.2011 на кафедре Конструирования и Технологии Радиоэлектронных Средств (КТРС) Новосибирского государственного технического университета. Экспериментальная часть выполнена в Институте Фотонных Технологий города Йена, Германия.

Публикации

По результатам вошедших в диссертацию исследований имеется пять печатных работ, в том числе две статьи, входящие в перечень ВАК, три работы опубликованы в трудах международных научных конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Список использованной литературы содержит 75 наименований. Текст диссертации содержит 121 страниц, включая 76 рисунков и 9 таблиц.

  • Содержание работы

Во введении дается краткое описание предмета исследований, обоснована актуальность выбранной научной темы, приведены цели и основные задачи диссертационной работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Описана структура и краткое содержание диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведён обзор современных электронных измерительных систем детектирования трехконтактных потоковых кубитов, связанных с СВЧ резонатором. Рассматривается анализ современного состояния криогенных частотно-селективных устройств с широкой полосой подавления, работающих при криогенных температурах. Анализируются основные структуры фильтров для цепей смещения кубита постоянным магнитным потоком, сигнальных линий фильтров нижних частот, полосно-пропускающие структуры. Исследованы основные типы криогенных широкополосных фильтров нижних частот на основе длинных линий в виде витой пары и порошковых структур. Обсуждаются их схемотехнические и конструктивные особенности. Приводятся экспериментальные характеристики фильтров, используемых для высокоточных систем квантовых измерений и используемых при комнатных температурах. Проведен анализ частотных свойств ППФ с широкой полосой подавления при температуре 4,2 К. Рассматриваются способы интеграции таких фильтров в измерительную систему состояний потоковых кубитов, связанных с резонатором на основе копланарной линии.

Выполнен обзор современной базы высокочувствительных операционных усилителей, на основе которых выполняются устройства для измерительных систем СКВИД электроники. Приведены основные характеристики малошумящих операционных усилителей.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.