Les amplificateurs supraconducteurs offrent des performances élevées avec une faible consommation d’énergie
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Les chercheurs ont mis au point un nouveau concept d’amplificateurs micro-ondes supraconducteurs à faible bruit à utiliser dans les détecteurs d’ondes radio pour les observations de radioastronomie, et ont démontré avec succès un amplificateur refroidi haute performance avec une consommation d’énergie de trois ordres de grandeur inférieure à celle des amplificateurs à semi-conducteurs refroidis conventionnels. Ce résultat devrait contribuer à la réalisation de caméras radio multi-éléments à grande échelle et d’ordinateurs quantiques tolérants aux erreurs, qui nécessitent tous deux un grand nombre d’amplificateurs micro-ondes à faible bruit.
Le dispositif qu’ils ont utilisé s’appelle un mélangeur SIS. Le mélangeur SIS tire son nom de sa structure, un film très mince de matériau isolant pris en sandwich entre deux couches de supraconducteurs (SIS). Dans un radiotélescope, les ondes radio cosmiques collectées par une antenne sont introduites dans un mélangeur SIS et le signal de sortie est amplifié par des amplificateurs à semi-conducteurs à faible bruit. Un mélangeur SIS fonctionne dans un environnement à très basse température, aussi basse que 4 Kelvin (-269 degrés Celsius), et les amplificateurs fonctionnent également à cette température.
Pour améliorer les performances des radiotélescopes, les chercheurs développent une caméra radio grand format équipée de réseaux 2D de mélangeurs et d’amplificateurs SIS. Cependant, la consommation électrique est un facteur limitant. La consommation électrique typique d’un amplificateur à semi-conducteur est d’environ 10 mW, et en assemblant 100 ensembles de détecteurs, la consommation électrique totale atteint la capacité de refroidissement maximale d’un réfrigérateur 4 Kelvin.
L’équipe de recherche dirigée par Takafumi Kojima, professeur associé à l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ), a proposé une idée simple mais innovante pour réaliser un amplificateur supraconducteur en connectant deux mélangeurs SIS. L’équipe exploite les fonctions de base du mélangeur SIS : conversion de fréquence et amplification du signal. “Le point le plus important est que la consommation d’énergie d’un mélangeur SIS est, en principe, aussi faible que des microwatts”, explique Kojima. “C’est trois ordres de grandeur de moins que celui d’un amplificateur à semi-conducteur refroidi.”
Après avoir obtenu des résultats préliminaires concluants en 2018, l’équipe a fait avancer à la fois les études théoriques du système et l’implémentation physique de ses différents composants. En fin de compte, l’équipe de recherche a optimisé le système et a réalisé un “amplificateur SIS” avec un gain de 5 à 8 dB (trois à six fois) sous la fréquence de 5 GHz et une température de bruit typique de 10 K, ce qui est comparable à la amplificateurs à semi-conducteurs refroidis par courant tels que HEMT et HBT, mais avec une consommation d’énergie beaucoup plus faible.
“En modifiant la configuration des composants, nous pouvons encore améliorer le gain et les performances à faible bruit d’un amplificateur SIS”, explique Kojima. “L’idée de connecter deux mélangeurs SIS a des applications plus larges pour fabriquer divers appareils électroniques qui ont des fonctions autres que l’amplification.”
Fait intéressant, cet amplificateur à faible bruit et à faible consommation d’énergie est également très attendu pour les ordinateurs quantiques à grande échelle tolérants aux erreurs. Les ordinateurs quantiques actuellement disponibles sont à petite échelle avec moins de 100 qubits, mais les ordinateurs quantiques à usage général à plus grande échelle et tolérants aux erreurs nécessiteront plus d’un million de qubits. Pour gérer un grand nombre de qubits, un grand nombre d’amplificateurs doivent également être installés, et des réductions spectaculaires de la consommation d’énergie des amplificateurs sont nécessaires.
NAOJ a de l’expérience dans le développement de récepteurs supraconducteurs pour un certain nombre de radiotélescopes, y compris le radiotélescope Nobeyama de 45 mètres de NAOJ, qui a commencé à fonctionner en 1982. NAOJ travaille également actuellement à la mise à niveau des récepteurs supraconducteurs afin d’améliorer les performances de l’Atacama Large Millimeter /submillimeter Array (ALMA), qui est exploité en République du Chili en coopération avec l’Asie de l’Est, l’Europe et l’Amérique du Nord. Sur les 10 types de récepteurs (correspondant à 10 bandes de fréquences différentes) actuellement installés sur ALMA, trois ont été développés par NAOJ, et les puces SIS au cœur de ces récepteurs ont également été développées et produites dans la salle blanche du NAOJ Advanced Technology Center ( ATC). Le NAOJ ATC continue de promouvoir la recherche sur la miniaturisation et l’intégration des circuits supraconducteurs, non seulement pour la réalisation de radiotélescopes plus puissants, mais aussi pour leur potentiel en tant que base de diverses technologies qui soutiendront la société dans la nouvelle ère, comme le quantique l’informatique.
