Diagramme schématique

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NIST

Schéma de principe de la nouvelle conception d’un appareil pour générer des signaux de référence haute fréquence. Une source (rouge) produit un flux d’impulsions électriques qui sont envoyées à un circuit qui convertit chaque impulsion entrante en une impulsion SFQ sortante (violet). Chaque SFQ est acheminé vers trois étages de séparateurs (S, vert), qui font des signaux en double. Enfin, la sortie est envoyée à un réseau de dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs (ST, bleu clair) qui recueille tous les signaux et les combine en une sortie suffisamment grande pour être facilement détectée par des instruments électroniques. Tout ce qui se trouve à l’intérieur de la ligne pointillée bleu pâle est refroidi à quatre kelvin.

Des chercheurs de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont conçu et démontré les composants de sortie d’une nouvelle norme d’auto-étalonnage basée sur les quantiques pour tester les composants et les instruments des réseaux de télécommunications de nouvelle génération. Avec un développement ultérieur, le système pourrait éventuellement fournir des signaux de référence pour les réseaux fonctionnant à, et bientôt bien au-dessus, de la plage 5G actuelle qui peut atteindre 24 à 39 milliards de cycles par seconde (gigahertz, GHz). C’est plus de 10 fois plus rapide que la 4G.

À l’heure actuelle, il n’y a pas d’étalon de référence quantique. En conséquence, il est déjà extrêmement difficile de mesurer, caractériser et calibrer les signaux avec précision à des vitesses 5G, en détectant des problèmes tels que la distorsion de la forme d’onde et les erreurs de synchronisation dans les composants et les systèmes. À terme, les réseaux «bande haute» fonctionneront à des fréquences allant jusqu’à 100 GHz et peut-être au-delà, ce qui pose un formidable défi de mesure.

De plus, à des fréquences plus élevées ciblées pour les zones urbaines, les formes d’onde perdent leur force sur des distances plus courtes, de sorte que les signaux les plus rapides devront être amplifiés plus souvent par un plus grand nombre de sites de cellules et de répéteurs synchronisés avec précision, le tout sans modifier le timing et la forme des formes d’onde. . La surveillance et le maintien de l’intégrité de ces réseaux exigeront des instruments de mesure et des analyseurs de signaux dotés d’une capacité considérablement accrue, étalonnés par rapport à une norme de signal de référence faisant autorité.

«Il n’y a pas d’étalons de signaux de référence primaires à ces fréquences», a déclaré Pete Hopkins, scientifique du projet NIST. «Ce qui est principalement utilisé maintenant, ce sont des récepteurs ou des échantillonneurs qui mesurent la puissance d’un signal entrant. Une source de référence, ou un émetteur si vous le souhaitez, à des fréquences sans fil 5G, changerait la donne. »

La nouvelle conception de source de forme d’onde de référence, la première source de signal avec une précision basée sur des effets quantiques, est finalement destinée à être déployée sur une seule puce. Le travail est décrit dans le papier dans IEEE Transactions on Superconductivity publié le 3 février 2020. Il est basé sur des travaux révolutionnaires antérieurs du NIST mais exploite une technologie quantique différente.

Pour générer des signaux de précision quantique aux très hautes fréquences nécessaires à la communication sans fil de nouvelle génération, le NIST développe un générateur de formes d’onde ultra-rapide. Il fonctionne en transférant des unités discrètes et exactement quantifiées de flux magnétique («quantum à flux unique» ou SFQ) le long d’un circuit composé d’une série de jonctions Josephson, chacune composée de deux minuscules électrodes supraconductrices séparées par une barrière très mince. Un SFQ est stocké sous forme de courant persistant dans la boucle supraconductrice formée par les jonctions adjacentes. L’application d’une impulsion de courant en plus du courant passant déjà à travers une jonction peut provoquer la commutation de la jonction et le transfert du SFQ à la jonction suivante de la série. En bout de ligne, le transfert SFQ crée une forme d’onde d’impulsion de tension, émise à des fréquences 10 à 100 fois supérieures à celles utilisées dans les téléphones portables actuels.

Le nouveau design a été inspiré par le NIST programmable Synthétiseur de forme d’onde arbitraire Josephson (JAWS), le Instrument de référence standard NIST pour tension alternative. JAWS utilise des centaines de milliers de dispositifs supraconducteurs microscopiques synchronisés appelés jonctions Josephson (JJ) refroidis à 4 kelvin (-269 ˚C), chacun générant un flux d’impulsions de tension précises résultant de leur comportement quantique intrinsèque. Ces impulsions sont combinées pour créer un seul signal de tension plus grand et générées selon des modèles complexes pour produire des signaux complexes utiles pour les mesures et les étalonnages des communications.

Une récente modification à grande vitesse de la conception JAWS, actuellement en développement, est capable d’atteindre des fréquences de quelques gigahertz – rapides, mais toujours beaucoup plus faibles que nécessaire pour servir d’outil d’étalonnage pour la gamme complète des fréquences du signal 5G. C’est là qu’interviennent les prochaines étapes.

Dans le nouveau design JAWS décrit dans l’article IEEE, les chercheurs emploient «Quantum à flux unique» (SFQ). Des impulsions de sortie électrique extrêmement minuscules et brèves sont émises par les jonctions Josephson lorsqu’elles sont excitées par un signal électrique. Comme de nombreuses propriétés à des échelles extrêmement petites, ces minuscules impulsions électriques sont quantifiées, c’est-à-dire qu’elles ne peuvent prendre que des valeurs précises et précises, dont la plus petite quantité possible est un seul quantum de flux. Et parce qu’ils sont quantifiés, leurs valeurs sont connues et contrôlables avec précision, la clé pour faire un étalon de référence.

Les modèles de séquence d’impulsions des SFQ – dans lesquels les uns et les zéros numériques du signal sont représentés par la présence ou l’absence d’un SFQ – sont déplacés dans une boucle de circuit qui agit un peu comme une mémoire tampon dans les ordinateurs ordinaires.

Une fois qu’une série de SFQ est stockée dans la mémoire tampon – qui est encore en développement – une horloge à grande vitesse fait passer le flux d’impulsions de la mémoire à l’étape suivante. La vitesse et la stabilité de cette horloge, qui peut fonctionner à plus de 100 GHz – plus de 20 fois plus vite que l’horloge d’un PC classique – est construite à partir de la technologie SFQ et est la raison pour laquelle cette nouvelle source de forme d’onde de référence peut fonctionner à des fréquences 5G.

Bien que ce flux d’impulsions SFQ soit maintenant rapide, les impulsions individuelles sont trop petites pour produire un signal utile. Un amplificateur est nécessaire pour amplifier ce signal. Mais cela ne peut pas être un amplificateur ordinaire. Pour servir de source standard précise, il doit multiplier exactement le signal tout en combinant et synchronisant précisément les quanta de flux uniques.

Pour ce faire, chaque impulsion SFQ est acheminée vers un «séparateur» qui produit plusieurs copies du signal sur les canaux de dérivation. Le montant de la multiplication dépend de la disposition des canaux de branchement. La conception actuelle du NIST multiplie une seule entrée en deux, chacune de celles-ci en deux de plus, et chacune de celles-ci en deux de plus, ce qui entraîne une multiplication par huit. Des multiplications plus élevées seront nécessaires avant qu’un tel système puisse être déployé.

«Le séparateur fonctionne en dupliquant l’impulsion plusieurs fois», a déclaré Manuel Castellanos-Beltran, premier auteur du rapport IEEE. «L’énergie supplémentaire nécessaire pour ce faire est fournie électriquement aux composants de l’arbre de séparation.»

Enfin, chacune des impulsions multipliées est acheminée vers une série de dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs (SQUIDs). Les SQUID sont des détecteurs extrêmement sensibles de champs magnétiques – tels que ceux associés aux impulsions SFQ – et sont couramment utilisés en médecine pour détecter et mesurer, par exemple, les champs extrêmement faibles générés par les signaux nerveux dans le cerveau. Un tableau de SQUID est utilisé pour combiner les impulsions SFQ car chaque SQUID peut être couplé par induction (magnétiquement) à chacun des canaux de séparation. La matrice SQUID ajoute toutes les impulsions dupliquées ensemble pour créer une impulsion 8 fois plus grande à travers la matrice SQUID. Ce signal est suffisamment puissant pour être facilement identifié par un équipement électronique.

«La disponibilité de sources de référence standard permettra d’améliorer la qualité du signal dans tous les composants de la chaîne de communication 5G – émetteurs, amplificateurs et récepteurs», a déclaré Sam Benz, chef d’équipe du projet. “Par exemple, les problèmes avec un récepteur qui ajoute beaucoup de bruit et de distorsion peuvent être facilement identifiés si vous savez que la source fournit au récepteur un signal propre et précis.”

«Nous sommes ravis de découvrir jusqu’où nous pouvons étendre cette technologie», a déclaré Castellanos-Beltran. «Nous devons démontrer des fréquences plus élevées et des niveaux de signal de sortie plus élevés, qui sont tous deux difficiles en eux-mêmes. C’est ce que nous essayons de comprendre en ce moment. »

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