طراحي و شبيه‌سازي يك ميكسر جوزفسوني مبتني بر فناوري Nb/Al2O3/Nb براي كاربرد در رادار كوانتومي مايكروويو

Design and simulation of a Josephson mixer based on Nb/Al2O3/Nb technology for application in microwave quantum radar

امروزه يكي از كليدي‌ترين فناوري‌هاي پشتيبان حوزه كوانتوم، فناوري ابررسانايي است و بسياري از افزاره‌هاي پركاربرد در سامانه‌هاي كوانتومي، مبتني بر ابررسانايي طراحي و ساخته مي‌شوند. يكي از اين افزاره‌ها ميكسر جوزفسوني مي‌باشد. اين قطعه در سيستم‌هاي كوانتومي به ويژه در طيف مايكروويو از اهميت بسيار بالايي برخوردار است. در اين مقاله پس از معرفي ميكسر و ساختار و اصول عملكردي يك ميكسر جوزفسوني، به استخراج مدل مداري اين قطعه مبتني بر پيوند جوزفسون تمام نايوبيوم (Nb/Al2O3/Nb) پرداخته شده است. سپس ميكسر جوزفسوني مبتني بر فناوري مذكور و با استفاده از نرم‌افزار PSpice در طيف مايكروويو شبيه‌سازي شده است و خروجي‌ها به همراه پاسخ‌هاي فركانسي ارائه شده‌است. همچنين پارامترهاي طراحي به منظور يافتن بهترين دامنه عملكردي ميكسر جوزفسوني مورد بررسي و تحليل قرار گرفته است. با توجه به نتايج بدست آمده در صورت بهره‌گيري از فناوري تمام نايوبيوم در پياده‌سازي پيوند جوزفسون در ساختار اين ميكسر، محدوده‌ي كاري اين قطعه در حدود 1گيگاهرتز تا 100 گيگاهرتز خواهد بود. اين قطعه به‌عنوان مبدل فركانسي و تقويت‌كننده در منابع رادارهاي كوانتومي و همچنين به منظور توليد فوتون‌هاي درهم‌تنيده در فرستنده اين نوع از رادارها مورد توجه بوده و با توجه به قابليت‌ كار در طيف مايكروويو، نويز بسيار ناچيز و سرعت بسيار بالا، الزامات لازم براي دستيابي به قابليت‌هاي متصور براي يك رادار كوانتومي طيف مايكروويو مانند افزايش امكان آشكارسازي در سيگنال به نويزهاي پايين را فراهم مي‌كند.

Today, one of the most key technologies supporting the quantum field is superconductivity technology, and many commonly used devices in quantum systems are designed and built based on superconductivity. One of these devices is the Josephson mixer. This device is very important in quantum-microwave systems. In this article, after introducing the mixer and the structure and functional principles of a Josephson mixer, extracting the circuit model of this mixer based on the trilayer (Nb/Al2O3/Nb) JJ is discussed. Then the Josephson mixer based on the mentioned technology and using PSpice software is simulated in the microwave spectrum and the outputs are presented along with the frequency responses. Also, the design parameters have been investigated and analyzed in order to find the best functional range of the Josephson mixer. According to the obtained results, the working range of this device will be around 1GHz to 100GHz. This device is of interest as a frequency converter and amplifier in the sources of quantum radars, as well as for the purpose of producing entangled photons in the transmitter of this type of radars, and due to the ability to work in the microwave spectrum, very low noise and very high speed, the necessary requirements to achieve The capabilities envisioned for a quantum-microwave radar, such as increasing the possibility of detection in low signal to noise levels.