﻿초전도 증폭기는 낮은 전력 소비로 높은 성능을 제공합니다.

초전도 증폭기는 낮은 전력 소비로 높은 성능을 제공합니다. 날짜: 2023년 3월 20일 원천: 국립 자연과학 연구소 요약: 연구진은 전파천문관측용 전파탐지기에 사용할 수 있는 새로운 개념의 초전도 마이크로파 저잡음 증폭기를 고안해 기존 냉각식 반도체 증폭기보다 소비전력이 3배 이상 낮은 고성능 냉각식 증폭기를 시연하는데 성공했다. 이 결과는 저잡음 마이크로웨이브 증폭기를 많이 필요로 하는 대규모 다원소 무선 카메라와 오류에 강한 양자 컴퓨터 구현에 기여할 것으로 기대된다. 전체 이야기 연구진은 전파천문관측용 전파탐지기에 사용할 수 있는 새로운 개념의 초전도 마이크로파 저잡음 증폭기를 고안해 기존 냉각식 반도체 증폭기보다 소비전력이 3배 이상 낮은 고성능 냉각식 증폭기를 시연하는데 성공했다. 이 결과는 저잡음 마이크로웨이브 증폭기를 많이 필요로 하는 대규모 다원소 무선 카메라와 오류에 강한 양자 컴퓨터 구현에 기여할 것으로 기대된다. 그들이 사용한 장치는 SIS 믹서라고 불립니다. SIS 믹서는 2개의 초전도체(SIS) 층 사이에 삽입된 매우 얇은 절연체 물질의 구조를 따서 명명되었습니다. 전파 망원경에서 안테나로 수집된 우주 전파는 SIS 믹서에 공급되고 출력 신호는 저잡음 반도체 증폭기에 의해 증폭됩니다. SIS 믹서는 최저 4켈빈(섭씨 -269도)의 매우 낮은 온도 환경에서 작동하며 증폭기도 이 온도에서 작동합니다. 전파 망원경의 성능을 향상시키기 위해 연구원들은 SIS 믹서와 증폭기의 2D 어레이가 장착된 대형 전파 카메라를 개발하고 있습니다. 그러나 전력 소비는 제한 요소입니다. 반도체 증폭기의 일반적인 전력 소비량은 약 10mW이며, 검출기 100세트를 조립하면 총 전력 소비량은 4K 냉장고의 최대 냉각 용량에 도달합니다. 일본 국립 천문대(NAOJ)의 Takafumi Kojima 부교수가 이끄는 연구팀은 두 개의 SIS 믹서를 연결하여 초전도 증폭기를 구현하는 간단하지만 혁신적인 아이디어를 내놓았습니다. 팀은 SIS 믹서의 기본 기능인 주파수 변환 및 신호 증폭을 활용합니다. "가장 중요한 점은 SIS 믹서의 전력 소비가 원칙적으로 마이크로와트만큼 낮다는 것입니다."라고 Kojima는 말합니다. "이것은 냉각된 반도체 증폭기보다 100배 정도 적습니다." 2018년에 성공적인 예비 결과를 얻은 후 팀은 시스템의 이론적 연구와 다양한 구성 요소의 물리적 구현을 모두 발전시켰습니다. 결국 연구팀은 시스템을 최적화해 주파수 5GHz 이하에서 5~8dB(3~6배)의 이득과 10K의 전형적인 잡음 온도를 갖는 'SIS 증폭기'를 구현했다. HEMT 및 HBT와 같은 전류 냉각식 반도체 증폭기를 사용할 수 있지만 전력 소비는 훨씬 낮습니다. "구성 요소의 구성을 변경하여 SIS 증폭기의 게인 및 저잡음 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다."라고 Kojima는 설명합니다. "두 개의 SIS 믹서를 연결한다는 아이디어는 증폭 이외의 기능을 가진 다양한 전자 장치를 만드는 데 더 폭넓게 응용할 수 있습니다." 흥미롭게도 이 저잡음, 저전력 소비 증폭기는 대규모 오류 허용 양자 컴퓨터에도 크게 기대됩니다. 현재 사용 가능한 양자 컴퓨터는 100큐비트 미만의 소규모이지만 더 큰 규모의 오류 허용 범용 양자 컴퓨터에는 100만 큐비트 이상이 필요합니다. 많은 수의 큐비트를 처리하려면 증폭기도 많이 설치해야 하며 증폭기 전력 소비를 획기적으로 줄여야 합니다. NAOJ는 1982년에 가동을 시작한 NAOJ의 Nobeyama 45미터 전파 망원경을 포함하여 여러 전파 망원경을 위한 초전도 수신기 개발 경험이 있습니다. 또한 NAOJ는 현재 Atacama Large Millimeter의 성능을 개선하기 위해 초전도 수신기를 업그레이드하기 위해 노력하고 있습니다. /서브밀리미터 어레이(ALMA)는 동아시아, 유럽 및 북미와 협력하여 칠레 공화국에서 운영되고 있습니다. 현재 ALMA에 탑재된 10종의 수신기(10개의 서로 다른 주파수 대역에 해당) 중 3개는 NAOJ에서 개발했으며, 이 수신기의 핵심인 SIS 칩도 NAOJ Advanced Technology Center의 클린룸에서 개발 및 생산되었습니다. ATC). NAOJ ATC는 초전도 회로의 소형화 및 집적화에 대한 연구를 지속적으로 추진하고 있으며, 출처 : <a href="https://www.sciencedaily.com/" target="_blank" class="ke-link">https://www.sciencedaily.com/</a>