В физике слабые микроволновые сигналы могут быть усилены с минимальным добавленным шумом. Например, искусственные квантовые системы, основанные на сверхпроводящих цепях, могут усиливать и обнаруживать одиночные микроволны, хотя и при температурах в милликельвины. Исследователи могут использовать естественные квантовые системы для малошумящего микроволнового усиления за счет эффектов вынужденного излучения; однако они генерируют более высокий шум при функциональных возможностях выше 1 Кельвина.
В этой новой работе, опубликованной в журнале Science Advances , Александр Шерман и группа ученых-химиков из Израильского технического технологического института в Хайфе использовали электронные спины в алмазе в качестве квантового микроволнового усилителя для работы с квантово-ограниченным внутренним шумом. выше температуры жидкого азота. Команда сообщила подробности о конструкции усилителя, коэффициенте усиления, полосе пропускания, мощности насыщения и шуме, чтобы облегчить недоступные до сих пор приложения в квантовой науке, технике и физике.
Мазерная технология
Связь в дальнем космосе, радиоастрономия и квантовые технологии зависят от достижений, которые облегчают усиление и обнаружение микроволновых сигналов с минимальным шумом. Эти приложения требуют очень слабого релевантного сигнала на уровне десятков сотен микроволновых фотонов в секунду. Любой шум, добавленный к сигналу в процессе усиления, может превысить потенциал обнаружения сигнала.
Чтобы преодолеть это, ученые в настоящее время используют три различных типа усилителей для усиления и обнаружения микросигналов, добавляя при этом очень низкий уровень шума. Примеры включают обычные электронные усилители, усилители на основе сверхпроводящих цепей и параметрические усилители кинетической проводимости. Например, твердотельные мазеры эффективно работают при низких температурах, когда к сигналу добавляется несколько фотонов шума.
В этой работе Шерман и его коллеги сделали мазерную технологию на шаг вперед, чтобы показать ее реальную функциональность как полное переосмысление ранее описанной работы той же группы. Результаты могут привести к реализации практического устройства, чьи свойства усиления и шума могут быть измерены для потенциальных приложений в квантовой науке.
Новый мазерный прибор
В то время как мазерная технология, которая использовалась до недавнего времени, основывалась на технологиях, разработанных в 1950-х и 1960-х годах , теперь она заменена обычными электронными усилителями для простоты функциональности. Квантовая технология может усиливать очень слабые микроволновые сигналы с производительностью, ограниченной квантовым шумом, для приложений по считыванию квантовых битов и для обнаружения темной материи. Однако их дальнейшее функционирование и область применения зависят от сверхнизких криогенных температур. В результате исследователи используют современные мазерные технологии в качестве решения.
Команда разработала новый мазер для создания микроволнового усилителя с определенными размерами, чтобы показать характеристики с ограничением квантового шума при температурах выше 1K. В ходе экспериментов рассматривались два возможных режима работы мазера как генератора и усилителя. Во время колебательной функции они уменьшили связь аппарата в двух СВЧ-частях. Чтобы понять его функцию усилителя, они приняли во внимание свойства связи его входа и выхода.
Оценка шума.
Затем исследователи оценили шумовую температуру мазерного усилителя двумя методами, которые включали световое облучение и источник микроволнового шума с двумя разными уровнями шумовой температуры. Они подробно описали новое мазерное устройство относительно его режимов работы в качестве генератора и усилителя и сравнили результаты с аналитическими предсказаниями, а также с численным моделированием. Например, мазерные колебания на основе алмаза могут повысить чувствительность по сравнению с немазерными устройствами. Команда использовала алмазный мазер в режиме усилителя и изучила все его соответствующие параметры, включая экспериментальное произведение усиления по напряжению на полосу пропускания мазера, его ожидаемую мощность насыщения и его шумовую температуру.
Перспектива
Таким образом, Александр Шерман и его коллеги продемонстрировали функциональность твердотельного мазера- усилителя с квантово-ограниченным внутренним шумом при температурах выше жидкого азота. Устройство полезно для современных приложений. Команда оценила его функцию по сравнению с современными технологиями криогенного малошумящего микроволнового усиления. Результаты показали, как устройство алмазного мазера обеспечивает квантово-ограниченное усиление. Экспериментальная система также выявила множество нелинейных эффектов , включая многократное эхо и сверхизлучение ; особенности, имеющие значение в основном для исследований в области квантовой электродинамики резонатора.
