Experimental Demonstration of a Balanced Travelling Wave Parametric Amplifier

في أكثر بقاع الكون برودة، حيث تنخفض درجات الحرارة إلى ما يقرب من الصفر المطلق، يصغي العلماء لأخف همسات الضوء والمادة. وللسماع لهذه الهمسات، يحتاجون إلى مضخمات يمكنها تعزيز الإشارات الضعيفة للغاية دون إضافة ضجيجها الخاص أو تشويه الرسالة. وتعد مضخمات السعة البارامترية الموجية فائقة التوصيل (Superconducting travelling-wave parametric amplifiers) هي الأداة المختارة لهذه المهمة؛ فهي تعمل مثل ميكروفون مضبوط بدقة لعالم الكم، وقادرة على التقاط مجموعة واسعة من الترددات في آن واحد. ومع ذلك، فإن لهذه المضخمات أثراً جانبياً معقداً؛ فعندما تقوم بتعزيز إشارة ما، فإنها تخلق حتماً صورة مرآتية لتلك الإشارة عند تردد مختلف. وإذا كانت الإشارة الأصلية غير معروفة أو تغطي طيفاً واسعاً، فإن هذه الصورة المرآتية تسبب ارتباكاً، مما يجعل من المستحيل التمييز بين أي جزء من البيانات هو الإشارة الحقيقية وأيها الانعكاس الشبحي. وقد حدت هذه المشكلة لفترة طويلة من كمية المعلومات المفيدة التي يمكن أن تقدمها هذه الأجهزة القوية.

لقد نجح فريق من الباحثين من جامعة أكسفورد ومختبر الدفع النفاث (JPL) الآن في إظهار طريقة لحل هذا الارتباك. فقد بنوا نوعاً جديداً من بنية المضخمات يعمل كمدير حركة مرور، يقوم بفرز الإشارة الحقيقية عن صورتها المرآتية غير المرغوب فيها وطاقة الضخ القوية المستخدمة لتشغيل النظام. ومن خلال ترتيب مضخمين متطابقين بين موصلات ميكروويف خاصة، أنشأوا إعداداً يسلك فيه الإشارة المرغوبة مساراً، بينما تسلك الضوضاء والانعكاسات مساراً آخر. والنتيجة هي جهاز يوفر تعزيزاً قوياً وواضحاً عبر نطاق واسع من الترددات، مما يؤدي فعلياً إلى مضاعفة عرض النطاق الترددي القابل للاستخدام من خلال القضاء على الارتباك الطيفي الذي عانت منه التصميمات السابقة.

يكمن جوهر هذا الاختراق في كيفية إدارة الباحثين للأطوار، أو التوقيت، للموجات المتحركة عبر النظام. في المضخم القياسي، تختلط موجة ضخ قوية مع إشارة دخل ضعيفة لإنشاء موجة ثالثة تسمى "الآيدلر" (Idler). والآيدلر هو الصورة المرآتية التي تسبب المشكلة. وفي التصميم المتوازن الجديد، قام الباحثون بتقسيم إشارة الدخل وموجة الضخ إلى مسارين منفصلين. وقد رتبوا التوقيت بحيث تكون موجات الإشارة في كلا المسارين متزامنة تماماً، بينما تكون موجات الضخ والآيدلر خارج التزامن تماماً. وعندما تصل هذه الموجات إلى نهاية الرحلة وتندمج مجدداً، تتجمع الإشارات المتزامنة لتصبح أقوى، بينما تلغي موجات الضخ والآيدر الخارجة عن التزامن بعضها البعض. وقد حدث هذا الإلغاء بفعالية كبيرة لدرجة أن المكونات غير المرغوب فيها تم توجيهها إلى منفذ خروج منفصل، مما ترك المخرج الرئيسي نظيفاً وخالياً من التداخل.

لاختبار هذا المفهوم، قام الفريق ببناء الجهاز باستخدام مضخمين فائقي التوصيل مصنوعين من مادة تسمى نيوبيوم تيتريد النيتريد (niobium titanium nitride). وُضعت هذه الرقائق على شريحة واحدة ووصلت بزوج من موصلات الميكروويف التي عملت كمنافذ للتقسيم والدمج. قام الباحثون بتغذية إشارة ضعيفة في أحد المنافذ وموجة ضخ قوية في منفذ آخر، ثم قاسوا ما خرج من مخرجي الخروج. ووجدوا أن الجهاز نجح في تعزيز الإشارة بنحو 20 ديسيبل عبر نطاق ترددي تضاعف عرضه تقريباً، حيث امتد من 1.8 إلى 3.2 جيجاهرتز. والأهم من ذلك، لاحظوا أن موجة الضخ غير المرغوب فيها قد تم كبتها بأكثر من 20 ديسيبل، كما تم رفض الصورة المرآتية، أو الآيدلر، بمتوسط 15 ديسيبل عبر نطاق التشغيل.

كما كشفت التجربة كيف أثر البناء الفيزيائي للجهاز على أدائه. ونظراً لأن المضخمين لم يكونا متطابقين تماماً — بسبب اختلافات طفيفة في عملية التصنيع على شريحة السيليكون — فإن إلغاء الموجات غير المرغوب فيها لم يكن مثالياً. وقد قاس الباحثون اختلافاً طفيفاً في الطول الكهربائي للمسارين، مما تسبب في قدر ضئيل من التسرب. ومع ذلك، كان لهذا النقص ميزة غير متوقعة: فقد ساعد في تنعيم التموجات في الكسب (gain)، وهي تقلبات صغيرة في قوة التعزيز تحدث غالأ في هذه الأجهزة. وأشار الفريق إلى أنه إذا قاموا ببناء نسخ مستقبلية بوضع المضخمين جنباً إلى جنب على الشريحة، فيمكنهم تقليل هذه الاختلافات التصنيعية ودفع رفض الصورة المرآتية إلى مستويات أعلى، وصولاً إلى مستويات تصبح فيها الصورة المرآتية غير مرئية تقريباً.

يؤسس هذا العمل لمسار عملي لاستخدام هذه المضخمات في التطبيقات الواقعية حيث تكون إشارة الدخل غير معروفة أو متغيرة بشكل كبير. وفي مجالات مثل علم الفلك، حيث يستخدم العلماء التلسكوبات الراديوية لرسم خرائط السماء، أو في الحوسبة الكمومية، حيث يجب قراءة الحالات الكمومية الدقيقة دون خطأ، يعد القدرة على فصل الإشارة عن صورتها المرآتية أمراً بالغ الأهمية. سابقاً، كان على العلماء استخدام مرشحات معقدة أو التضحية بعرض النطاق الترددي لتجنب الارتباك. هذا النهج المتوازن الجديد يلغي تلك الحاجة، ويقدم نافذة أنظف وأوسع للبيانات. وقد أثبت الباحثون أنه من خلال ترتيب المكونات بشكل صحيح فحسب، يمكنهم تحقيق أداء عالٍ دون التضحية بسرعة أو مدى المضخم، مما يمهد الطريق لأجهزة أكثر حساسية في المستقبل.

يعتمد نجاح هذه التجربة على التحكم الدقيق في أطوار الموجات، وهو مفهوم قد يصعب تصوره بدون تدريب تقني. تخيل شخصين يمشيان جنباً إلى جنب؛ إذا خطا كل منهما في وقت مثالي، فإن حركتهما المشتركة ستكون قوية وثابتة. أما إذا خطا أحدهما للأمام بينما خطا الآخر للخلف، فإن حركتيهما ستلغيان بعضهما البعض، وسيبقيان في مكانهما. استخدم الباحثون هذا المبدأ لجعل الإشارة المفيدة "تخطو في وقت واحد" بينما أجبروا الضجيج غير المرغوب فيه على "الخطو ضد نفسه"، مما أدى إلى إسكاته فعلياً. سمحت هذه الآلية البسيطة والقوية في آن واحد بفصل الإشارة المعززة عن الضخ والآيدلر، محولةً جهازاً كان ينتج سابقاً مزيجاً مربكاً من الترددات إلى مستقبل نظيف وعالي الدقة.

تشير النتائج إلى أن البنى المتوازنة هي حل عملي وقابل للتطبيق للتضخيم البارامتري واسع النطاق. وقد أكدت قياسات الفريق أن الجهاز يمكنه التعامل مع متطلبات جمع البيانات الحديثة عالية السرعة مع الحفاظ على مستويات الضجيج المنخفضة المطلوبة للعمل العلمي الحساس. وبينما أظهر النموذج الأولي الحالي بعض القيود بسبب الاختلافات الطفيفة بين المضخمين، إلا أن النتائج أثبتت أن المفهوم الأساسي يعمل. ويشعر الباحثون بالثقة في أنه مع تحسين تقنيات التصنيع، مثل وضع المضخمين بالقرب من بعضهما لضمان تطابقهما بشكل أكبر، يمكن صقل الأداء بشكل أكبر. ويقدم هذا النهج مساراً واعداً لبناء الجيل القادم من الكواشف فائقة الحساسية لاستكشاف الكون وتطوير التقنيات الكمومية.