Когерентная генерация микроволнового гребня частот через эффект Джозефсона

Преобразование крошечных схем в точные временные эталоны

Современные технологии — от GPS до волоконно‑оптических сетей — опираются на исключительно точные измерения времени и частоты. В этом исследовании показано, как микроскопическая сверхпроводящая схема может генерировать «комб частот» — эталон, состоящий из равноотстоящих «цветов» микроволнового излучения — при практически нулевой мощности. Такие интегрированные на кристалле комбы могут стать ключевыми элементами будущих квантовых компьютеров и сверхчувствительных детекторов, позволяя уменьшить громоздкое лабораторное оборудование до масштаба чипа.

Спектральный эталон для измерения частот

Комб частот подобен спектральному забору: набору равноотстоящих, фазово‑зафиксированных тонов, позволяющих с высокой точностью связать радиоволны, микроволны и свет. Оптические комбы уже революционизировали прецизионную метрологию и атомные часы, но они громоздки и работают на очень высоких частотах. Многие квантовые устройства, особенно на основе сверхпроводящих кубитов и спинов, функционируют ниже примерно 8 гигагерц, то есть в микроволновом диапазоне, используемом в классической электронике. Создание компактного малопотерьного комба непосредственно на чипе в этом диапазоне значительно упростило бы управление и считывание больших массивов кубитов в криогенных холодильниках.

Крошечная сверхпроводящая петля как источник комба

Авторы реализуют такой генератор комба с помощью устройства, называемого dc SQUID (сверхпроводящий квантовый интерферометр постоянного тока), изготовленного из алюминия на чипе. SQUID по сути представляет собой маленькую сверхпроводящую петлю, прерываемую двумя туннельными Джозефсоновскими переходами. Близлежащая интегрированная линия подаёт переменный магнитный поток через петлю, а волновод отводит электрический сигнал. Когда постоянная магнитная настройка смещена близко к половине квантового магнитного потока и подаётся синусоидальный магнитный привод, квантовая фаза на SQUID меняется со временем. Из‑за эффекта Джозефсона эта меняющаяся фаза порождает ряд острых напряженческих импульсов чередующегося знака, которые распространяются в микроволновую цепь.

От импульсов во времени к гребню в частоте

Любой повторяющийся временной паттерн через преобразование Фурье отображается в набор равноотстоящих тонов в частоте. В этом устройстве частота повторения напряженческих импульсов задаётся непосредственно частотой привода, а острота каждого импульса определяет, сколько обертонов появляется. Команда измеряет испускаемый спектр в С‑диапазоне 4–8 гигагерц и наблюдает десятки узких, регулярно расположенных линий на целые кратные частоты привода, по крайней мере до 46‑го гармонического. Важно, что резонаторная камера не использовалась: расстояние между зубцами комба просто равно частоте накачки, которую в принципе можно изменять от гигагерц до терахерц. В спектре также отсутствует дополнительный частотный сдвиг, что упрощает его привязку к эталонным часам.

Когерентность, управление и экономное потребление энергии

Чтобы считаться настоящим комбом частот, линии должны быть не только равноотстоящими, но и сохранять стабильные относительные фазы. Исследователи изучают отдельные гармоники с помощью высокоразрешающих анализаторов спектра и гетеродинной схемы, регистрирующей как синфазную, так и квадратурную компоненты. Они обнаруживают исключительно узкие ширины линий, ограниченные прибором приблизительно третью герца, что соответствует временам когерентности в несколько секунд. Вставив в линию привода управляемый фазовращатель, они показывают, что изменение фазы накачки пропорционально вращает фазы линий комба в зависимости от их порядка, подтверждая фиксированные и настраиваемые фазовые соотношения между модами. Моделирование цепи хорошо согласуется с измеренной зависимостью мощности гармоник от магнитного потока и силы привода. Благодаря сверхпроводящему характеру устройства энергия, рассеиваемая на импульс, минимальна, что даёт уровни полной мощности порядка 10⁻¹⁸ ватта при типичных условиях работы — пренебрежимо мало по сравнению с охлаждающей мощностью современных разведённых холодильников и значительно ниже, чем у криогенной CMOS‑электроники.

К чип‑масштабным инструментам для квантовых технологий

Демонстрируя когерентный настраиваемый микроволновый комб от микрометрового SQUID, эта работа открывает путь к интеграции прецизионных частотных инструментов непосредственно рядом с квантовыми процессорами и датчиками. Отсутствие резонатора, чрезвычайно низкое рассеяние энергии и небольшая занимаемая площадь делают дизайн привлекательным для масштабируемой криогенной электроники, такой как мультиплексированное управление кубитами, спектроскопия на чипе с использованием комба и многокубитные операции запутывания. Будущие проекты, изменяющие симметрию или геометрию SQUID, могут повысить выходную мощность и расширить доступный частотный диапазон, приближая компактные твердотельные комбы частот к практическому внедрению в квантовых технологиях.

Цитирование: 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

Ключевые слова: комбы частот, сверхпроводящие схемы, эффект Джозефсона, квантовые микроволны, устройства SQUID