יצירת סריג תדרים מיקרו-גלי קוהרנטי באמצעות אפקט ג'וזפסון

לשדר מעגלים זעירים לסרגלי זמן מדויקים

טכנולוגיות מודרניות, ממערכות GPS ועד רשתות סיבים אופטיים, נשענות על מדידות זמן ותדר מדויקות להפליא. המחקר מראה כיצד מעגל על-מוליך זעיר יכול ליצור "סריג תדרים" — סרגל המורכב מצבעי אור מיקרו-גלי מרווחים באופן שווה — תוך שימוש כמעט ללא הספק. סריגים כאלה על שבב עשויים להפוך לחסמים מרכזיים במחשבים קוונטיים עתידיים ובגלאים רגישים במיוחד, ולסייע לכווץ ציוד מעבדה התופס חדרים לגודל שבב.

סרגל צבעים למדידת תדרים

סריג תדרים הוא כמו גדר קולמוסית ספקטרלית: סדרת גונויים מקובעים בפאזה ובמרווחים שווים המאפשרת למדענים לקשר בין גלי רדיו, מיקרוגל ואור בדיוק יוצא דופן. סריגי תדר אופטי כבר חוללו מהפכה במטרולוגיה מדויקת ובשעוני אטום, אך הם גדולים ופועלים בתדרים מאוד גבוהים. רבים מהמכשירים הקוונטיים, במיוחד קיוביטים על-מוליכים ומבוססי ספין, פועלים מתחת לכ־8 גיגה-הרץ, בטווח המיקרו-גלי שבו משתמשת האלקטרוניקה הקלאסית. בניית סריג קומפקטי ובעל אובדן נמוך ישירות על שבב בתדרים אלה תקל משמעותית על שליטה וקריאה של מערכי קיוביטים גדולים בתוך מקררי קרריה.

לולאה על-מוליכה זעירה כמקור לסריג

המחברים מממשים גנרטור סריג כזה באמצעות התקן הנקרא SQUID (ממשק כמותי על-מוליך סופר־מנצנץ) DC, המיוצר מאלומיניום על שבב. ה-SQUID הוא למעשה לולאה על-מוליכה קטנה שמופרעת על ידי שני מחסומי מעבר ג'וזפסון. קו על השבב מקרב שדה מגנטי מתנדנד דרך הלולאה בעוד שקו שידור מוביל את האות החשמלי החוצה. כאשר היסט הרכיב הקבוע מכוון בקרבת חצי ממנה של קוונטת שטף מגנטי ומופעל נהג מגנטי סינוסואידי, הפאזה הקוונטית על פני ה-SQUID משתנה בזמן. עקב אפקט ג'וזפסון, שינוי פאזה זה מייצר רכבת של דפיקות מתח חדות בשילוב סימן מתחלף, אשר נוסעות אל תוך מעגלי המיקרוגל.

מדפיקות בזמן לסריג בתדר

כל דפוס החוזר בזמן מתורגם, באמצעות ניתוח פורייה, לסדרת גונויים מרווחים בתדר. בהתקן זה שיעור החזרה של דפיקות המתח נקבע ישירות על ידי תדירות הנהג, וחדות כל דפיקה קובעת כמה הרמוניקים יופיעו. הצוות מודד את הספקטרום המופלט בטווח C של 4–8 גיגה-הרץ וחש בכך עשרות קוים צרים ומרווחים באופן סדיר במכפלות של תדירות הנהג, עד לפחות המוד ה־46. חשוב לציין שאין שימוש במכל תהודה: מרווח הסריג הוא פשוט תדירות המשאבה, שניתן בתיאוריה לסרוקה מגיגה-הרץ לתחום הטרה-הרץ. בנוסף, לספקטרום אין הסטת תדר נוספת, דבר שמפשט את חיבורו לשעוני-ייחוס.

קוהרנטיות, שליטה ושימוש עדין בהספק

כדי להיחשב כסריג תדר אמיתי, הקווים לא רק חייבים להיות מרווחים שווה אלא גם לשמור על פאזות יחסיות יציבות. החוקרים בודקים הרמוניק אחד־אחד באמצעות מנתחי ספקטרום ברזולוציה גבוהה וסידור הטרודין שרושם גם את הרכיבים המקבילים (in-phase) וגם את הרכיבים הקוודראטוריים. הם מוצאים רוחבי קו צרירים ביותר, מוגבלים על ידי כלי המדידה לכ־שליש של הרץ, דבר המרמז על זמני קוהרנטיות של מספר שניות. בהכנסת משנה-פאזה בשליטת המשתמש בקו הנהג, מראים החוקרים ששינוי פאזת המשאבה מסובב את פאזות קווי הסריג בהתאמה לסדרם, ולאשר קשר פאזה קבוע ומתכוונן בין המודים. סימולציות המעגל מתאימות בצורה קרובה להתלות הנמדדת של הספק ההרמוניקים בהשפעת השטף המגנטי ובעוצמת הנהג. בזכות טבעו העל-מוליך של ההתקן, האנרגיה המופקת לכל דפיקה זעירה, מה שמוביל לרמות הספק כוללות בסדר גודל של 10⁻¹⁸ ואט בתנאי תפעול טיפוסיים—זניחות לעומת כוח הקירור של מקררי דילול מודרניים והרבה פחות מהאלקטרוניקה CMOS בקירור.

לקראת כלי שבב למען טכנולוגיית קוונטום

בהדגמת סריג תדר מיקרו-גלי קוהרנטי ומתכוונן מ‑SQUID בקנה מידה מיקרומטרי, עבודה זו פותחת נתיב לשילוב כלי תדר מדויקים ישירות לצד מעבדי וחיישני קוונטום. היעדר המכל, ההפסד הנמוך ביותר וכן טביעת הרגל הקטנה הופכים את העיצוב לאטרקטיבי לאלקטרוניקה קריוגנית מדרגית, כמו שליטה מרובת־ערוצי בקיוביטים, ספקטרוסקופיית סריג תדר במכשירים על־שבב ופעולות שזירה רב־קיוביטיות. עיצובים עתידיים שיתאימו את הסימטריה או הגיאומטריה של ה‑SQUID יוכלו להגביר את העוצמה המופלטת ולהרחיב את טווח התדר הנגיש, ובכך לקרב סריגי תדר מוצקים וקומפקטיים לשימוש מעשי בטכנולוגיות קוונטיות.

ציטוט: 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

מילות מפתח: סריגי תדר, מעגלים על-מוליכים, אפקט ג'וזפסון, טכנולוגיית מיקרוגל קוונטית, מכשירי SQUID