Coherente microgolfkamgeneratie via het Josephson-effect

Kleine schakelingen veranderen in precieze tijdlinialen

Moderne technologieën, van gps tot glasvezelnetwerken, vertrouwen op uiterst precieze metingen van tijd en frequentie. Deze studie laat zien hoe een microscopische supergeleidende schakeling een "frequentiekam" kan genereren — een liniaal opgebouwd uit gelijkmatig gespreide kleuren microgolflicht — met vrijwel geen vermogen. Zulke on-chip kammen zouden belangrijke bouwstenen kunnen worden voor toekomstige kwantumcomputers en ultrasensitieve detectoren, waardoor apparatuur die nu een hele kamer beslaat kan worden verkleind tot chipformaat.

Een kleur-liniaal om frequenties te meten

Een frequentiekam is als een spectrale schutting: een set gelijkmatig gespreide, fasevergrendelde tonen waarmee wetenschappers radiogolven, microgolven en licht met extreme nauwkeurigheid kunnen koppelen. Optische frequentiekammen hebben de precisometriemeting en atoomklokken al veranderd, maar ze zijn omvangrijk en werken op zeer hoge frequenties. Veel kwantumapparaten, met name supergeleidende en spin-gebaseerde qubits, werken daarentegen onder ongeveer 8 gigahertz, duidelijk in het microgolfgebied dat door conventionele elektronica wordt gebruikt. Het direct op een chip bouwen van een compacte, weinig-verliezende kam bij deze frequenties zou het veel eenvoudiger maken om grote arrays qubits in cryogene koelkasten te sturen en uit te lezen.

Een kleine supergeleidende lus als kambron

De auteurs realiseren zo’n kamgenerator met een apparaat dat een dc Superconducting Quantum Interference Device, of SQUID, heet, gefabriceerd uit aluminium op een chip. De SQUID is in wezen een kleine supergeleidende lus onderbroken door twee Josephson-tunnelkoppelingen. Een nabije on-chip lijn stuurt een oscillerende magnetische flux door de lus terwijl een transmissielijn het elektrische signaal afvoert. Wanneer de statische fluxbias nabij de helft van een magnetische fluxkwantum wordt ingesteld en een sinusoïdale magnetische aandrijving wordt toegepast, evolueert de kwantumfase over de SQUID in de tijd. Door het Josephson-effect produceert deze veranderende fase een reeks scherpe spanningspulsen met afwisselend teken, die de microgolfcircuits ingaan.

Van pulsen in de tijd naar een kam in frequentie

Elk herhalend patroon in de tijd vertaalt zich, via Fourier-analyse, in een set gelijkmatig gespreide tonen in frequentie. In dit apparaat wordt de herhalingsfrequentie van de spanningspulsen direct bepaald door de aandrijf­­frequentie, en de scherpte van elke puls bepaalt hoeveel harmonischen verschijnen. Het team meet het uitgestraalde spectrum in de 4–8 gigahertz C-band en observeert tientallen smalle, regelmatig gespreide lijnen op gehele veelvouden van de aandrijf­­frequentie, tot ten minste de 46ste mode. Belangrijk is dat er geen resonante holte wordt gebruikt: de kamafstand is simpelweg de pomp­frequentie, die in principe kan worden gesweept van gigahertz naar het terahertzgebied. Het spectrum heeft ook geen extra frequentie-offset, wat het eenvoudiger maakt om het te koppelen aan referentieklokken.

Coherentie, controle en zuinig stroomverbruik

Om te kwalificeren als een echte frequentiekam moeten de lijnen niet alleen gelijkmatig gespreid zijn maar ook stabiele relatieve fasen behouden. De onderzoekers onderzoeken individuele harmonischen met hoogresolutie-spectrumanalysers en een heterodyne-opstelling die zowel in-fase als kwadratuurcomponenten registreert. Ze vinden uiterst smalle lijndiktes, begrensd door het meetinstrument tot ongeveer een derde van een hertz, wat wijst op coherentie­tijden van meerdere seconden. Door een controleerbare faserotator in de aandrijflijn te plaatsen, tonen ze aan dat het veranderen van de fase van de pomp de fasen van de kamlijnen roteert evenredig met hun orde, wat een vaste, afstem­bare faseregel tussen modes bevestigt. Schakeling­s-simulaties komen nauw overeen met de gemeten afhankelijkheid van harmonische vermogens van magnetische flux en aandrijfsterkte. Dankzij de supergeleidende aard van het apparaat is de per puls gedissipeerde energie miniem, wat leidt tot totale vermogensniveaus rond 10⁻¹⁸ watt onder typische bedrijfscondities — verwaarloosbaar vergeleken met het koelvermogen van moderne verdunningskoelers en ver beneden dat van cryogene CMOS-elektronica.

Op weg naar chip­schaalige gereedschappen voor kwantumtechnologie

Door een coherente, afstembare microgolf-frequentiekam te demonstreren uit een micrometer­schaal SQUID opent dit werk een route om precisie-frequentiegereedschap direct naast kwantumprocessoren en sensoren te integreren. Het ontbreken van een holte, de extreem lage dissipatie en de kleine voetafdruk maken het ontwerp aantrekkelijk voor schaalbare cryogene elektronica, zoals gemultiplexte qubitsturing, frequentiekam­spectroscopie van on-chip apparaten en multi-qubit verstrengelingsoperaties. Toekomstige ontwerpen die de SQUID-symmetrie of geometrie aanpassen kunnen het uitgangsvermogen verhogen en het toegankelijke frequentiebereik uitbreiden, waardoor compacte, vaste-stof frequentiekammen dichter bij praktische inzetbaarheid in kwantumtechnologieën komen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: frequentiekammen, supergeleidende schakelingen, Josephson-effect, microgolf kwantumtechnologie, SQUID-apparaten