توليد مشط ترددي ميكروويفي متماسك عبر تأثير جوزيفسون

تحويل الدوائر الصغيرة إلى مساطر زمنية دقيقة

تعتمد التقنيات الحديثة، من أنظمة تحديد المواقع GPS إلى شبكات الألياف الضوئية، على قياسات دقيقة للغاية للزمن والتردد. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن لدائرة فائقة التوصيل مجهرية أن تولد «مشط ترددي» — مسطرة مكوّنة من ألوان ميكروويف متباعدة بالتساوي — باستخدام قدر طاقة ضئيل جداً. مثل هذه المشاطات على الرقاقة قد تصبح لبنات أساسية لأجهزة الحوسبة الكمومية المستقبلية والمكشافات فائقة الحساسية، مما يساعد على تقليص معدات المختبر المملوءة بالغرفة إلى حجم شريحة.

مسطرة لونية لقياس الترددات

المشط الترددي يشبه سياجاً طيفياً من المشط: مجموعة نغمات متباعدة بالتساوي ومقفلة في الطور تسمح للعلماء بربط موجات الراديو والميكروويف والضوء بدقة متناهية. لقد أحدثت مشاطات التردد الضوئية ثورة في القياسات الدقيقة والساعات الذرية، لكنها ضخمة وتعمل عند ترددات عالية جداً. العديد من أجهزة الكم، وخصوصاً الكيوبتات المبنية على الفائقة التوصيل أو الدوران الإلكتروني، تعمل بدلاً من ذلك تحت نحو 8 غيغاهرتز، أي بشكل واضح في نطاق الميكروويف المستخدم في الإلكترونيات التقليدية. بناء مشط مدمج ومنخفض الفقد مباشرة على رقاقة عند هذه الترددات سيجعل التحكم وقراءة مجموعات كبيرة من الكيوبتات داخل مبردات التبريد أقل تعقيداً بكثير.

حلقة فائقة التوصيل صغيرة كمصدر للمشط

حقق المؤلفون مولد المشط هذا باستخدام جهاز يُسمى جهاز التداخل الكمي الفائق التيار المستمر (SQUID) المصنوع من الألومنيوم على رقاقة. الـ SQUID في الأساس حلقة فائقة التوصيل صغيرة مقطوعة بواسطة حاجزين نفقين من نوع جوزيفسون. يمر خط على الرقاقة مجاور بإرسال تدفق مغناطيسي متذبذب عبر الحلقة بينما يحمل خط إرسال الإشارة الكهربائية بعيداً. عندما يُضبط انحياز التدفق الساكن قرب نصف كوانتوم التدفق المغناطيسي ويُطبق دفع مغناطيسي جيبي، يتطور الطور الكمومي عبر الـ SQUID بمرور الوقت. وبسبب تأثير جوزيفسون، ينتج عن هذا الطور المتغير قطار من نبضات جهد حادة ذات إشارة متناوبة، تنتقل إلى الدوائر الميكروويفية.

من نبضات زمنية إلى مشط في التردد

أي نمط متكرر في الزمن يتحول، عبر تحليل فورييه، إلى مجموعة نغمات متباعدة بالتساوي في التردد. في هذا الجهاز، يُحدد معدل تكرار نبضات الجهد مباشرة بواسطة تردد الدفع، وحدّة كل نبضة تحدد عدد التوافقيات الظاهرة. يقيس الفريق الطيف المنبعث في نطاق C من 4–8 غيغاهرتز ويرصد عشرات الخطوط الضيقة والمتباعدة بانتظام عند مضاعفات صحيحة لتردد الدفع، حتى على الأقل النمط السادس والأربعين. والأهم من ذلك، أنه لم يُستخدم تجويف رنين: تباعد المشط هو ببساطة تردد المضخة، والذي يمكن نظرياً أن يُسحب من غيغاهرتز إلى نطاق التيراهرتز. كما أن الطيف لا يحتوي على إزاحة ترددية إضافية، مما يبسط طريقة ربطه بساعات مرجعية.

التماسك، التحكم، واستهلاك طاقة لطيف

لكي يُعتبر مشط ترددي حقيقياً، يجب ألا تكون الخطوط متباعدة بمقدار متساوٍ فحسب، بل يجب أيضاً أن تحافظ على أطوار نسبية ثابتة. يفحص الباحثون التوافقيات الفردية بواسطة محللات طيف عالية الدقة وإعداد هيتيرودين يسجل مركبات الطور المتعاون والمربع. يجدون خطوط عرض ضيقة للغاية، محدودة بواسطة أداة القياس بحوالي ثلث هرتز، مما يشير إلى أوقات تماسك تمتد لعدة ثوانٍ. من خلال إدخال موّلد طور قابل للتحكم في خط الدفع، يبينون أن تغيير طور المضخة يدور أطوار خطوط المشط متناسباً مع ترتيبها، مؤكّدين وجود علاقة طور ثابتة وقابلة للضبط عبر الأنماط. تتفق محاكيات الدائرة عن كثب مع الاعتماد المقاس لقدرة التوافقيات على التدفق المغناطيسي وقوة الدفع. وبفضل الطبيعة فائقة التوصيل للجهاز، فإن الطاقة المبعثرة لكل نبضة ضئيلة للغاية، ما يؤدي إلى مستويات قدرة كلية تقارب 10⁻¹⁸ واط في ظروف التشغيل النموذجية — ضئيلة مقارنة بقدرة التبريد لمبردات التخفيف الحديثة وبعيدة تحت قدرات إلكترونيات CMOS المبردة.

نحو أدوات مقياس الرقاقة لتقنيات الكم

من خلال إظهار مشط ترددي ميكروويفي متماسك وقابل للضبط من SQUID بحجم ميكرومتر، تفتح هذه العمل طريقاً لدمج أدوات تردد دقيقة مباشرة بجانب المعالجات والمستشعرات الكمومية. غياب التجويف، والفقد المنخفض للغاية، والحجم الصغير تجعل التصميم جذاباً للإلكترونيات التبريدية القابلة للتوسع، مثل تحكم متعدد القنوات في الكيوبتات، مطيافية المشط الترددي للأجهزة على الرقاقة، وعمليات تشابك متعددة-كيوبت. يمكن للتصاميم المستقبلية التي تعدل تماثل أو هندسة الـ SQUID أن تعزز القدرة الخارجة وتوسع النطاق الترددي المتاح، ما يقرب المشطّات الصلبة المدمجة من النشر العملي في تقنيات الكم.

الاستشهاد: Greco, A., Ballu, X., Giazotto, F. et al. Coherent microwave comb generation via the Josephson effect. Nat Commun 17, 2972 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69652-1

الكلمات المفتاحية: مشاطات التردد, دوائر فائقة التوصيل, تأثير جوزيفسون, تكنولوجيا الكم الميكروويفية, أجهزة SQUID