Ringkasan Insider:
- Pengukuran kuasa RF dan microwave digunakan dalam pelbagai bidang seperti penerokaan angkasa, pertahanan, dan pengkomputeran kuantum, di mana ketepatan dan kebolehpercayaan dalam keadaan ekstrem adalah sesuatu yang penting.
- Pasukan penyelidik dari National Physical Laboratory dan Keysight Technologies telah berjaya menggunakan sensor kuasa RF komersial pada suhu kriogenik serendah 3 Kelvin, yang sangat relevan untuk pengukuran tepat dalam aplikasi kuantum.
- Peranti kuantum, termasuk qubit, memerlukan suhu kriogenik untuk mengekalkan koherensi dan kestabilan; kajian ini mengubah suai sensor RF yang direka untuk suhu bilik agar berfungsi dengan tepat pada suhu rendah ini, menangani cabaran seperti integriti isyarat dan ketepatan pengukuran.
Pengukuran kuasa RF dan microwave sangat penting dalam pelbagai bidang, dari penerokaan angkasa hingga sistem pertahanan. Dengan membolehkan pengenalan tepat gelombang, komponen, litar, dan sistem, pengukuran ini menyumbang kepada kejuruteraan berketepatan tinggi. Kepentingan pengukuran ini menjadi lebih jelas dalam bidang yang memerlukan ketepatan ekstrem seperti pengkomputeran kuantum dan teknologi kriogenik, di mana peranti mesti berfungsi dengan baik dalam keadaan yang mencabar.
Dalam projek kolaborasi terbaru, penyelidik di National Physical Laboratory dan Keysight Technologies telah menunjukkan penggunaan sensor kuasa RF komersial pada suhu kriogenik—serendah 3 Kelvin. Menurut pengumuman tersebut, pencapaian ini adalah yang pertama seumpamanya; penggunaan sensor pada suhu ini untuk aplikasi kuasa RF kini menjadi kenyataan.
Beroperasi pada Suhu Kriogenik
Peranti kuantum, lebih khususnya qubit, memerlukan suhu kriogenik—hampir beberapa darjah di atas sifar mutlak—untuk mengekalkan keadaan kuantum mereka yang halus. Pada suhu yang lebih tinggi, tenaga terma boleh mengganggu kestabilan qubit, yang akan menjejaskan prestasi pengkomputeran kuantum mereka.
Apabila suhu terlalu tinggi, “gangguan terma” boleh menyebabkan qubit kehilangan koherensinya, yang penting untuk mengekalkan superposisi dan menjalankan pengiraan kuantum dengan efektif. Dengan mendinginkan qubit ke suhu kriogenik, tenaga terma yang mengganggu dapat diminimumkan, membolehkan qubit beroperasi dengan lebih stabil dan boleh dipercayai.
Namun, mengekalkan suhu rendah ini ada cabarannya tersendiri. Pada suhu kriogenik, sedikit gangguan dalam pengukuran boleh memberi kesan kepada prestasi kuantum. Keutuhan isyarat juga menjadi perkara yang sukar dipastikan kerana komponen elektronik tradisional berperilaku berbeza dalam keadaan ekstrem.
Selain itu, pengukuran RF dan microwave yang tepat adalah tidak boleh dikompromi, kerana sedikit ketidaktepatan boleh mengganggu interaksi antara qubit atau komponen kuantum lain. Projek ini mengatasi cabaran ini dengan menguji sensor kuasa RF—model Keysight N8481S—yang biasanya direka untuk operasi suhu bilik tetapi kini boleh digunakan pada suhu kriogenik.
Keputusan sensor respons thermopile, iaitu voltan yang dihasilkan oleh sensor thermopile sebagai tindak balas kepada haba yang diserap dan crucial dalam mengukur kuasa RF, telah diuji di antara -35 dBm hingga 0 dBm untuk frekuensi dari 100 kHz hingga 10 GHz, sambil menyediakan ketelusuran SI melalui proses penggantian kuasa DC yang dikenali. Ketelusuran SI ini memastikan bahawa pengukuran tersebut mengekalkan konsistensi global, yang merupakan keperluan untuk kerja saintifik berketepatan tinggi.
Metrologi Kriogenik untuk Pengukuran Ketepatan dalam Teknologi Kuantum
Menurut artikel penyelidikan yang berkaitan, yang dibentangkan pada Persidangan Pengukuran Elektromagnet Precision 2024 (CPEM), penggunaan sensor pada suhu kriogenik adalah perkembangan penting dalam bidang metrologi. Seperti yang dikatakan oleh saintis kanan NPL, Dr. Murat Celep, “NPL mempunyai lebih daripada 60 tahun pengalaman dalam penyelidikan metrologi kuasa RF dan microwave yang boleh dikaitkan. Pengalaman ini, digabungkan dengan kemudahan ujian kriogenik canggih di NPL dan kolaborasi dengan Keysight, telah membolehkan kami menunjukkan pengukuran kuasa kriogenik yang boleh dikaitkan SI. Ini adalah saat yang menggembirakan, dan kami berharap untuk melihat inovasi kuantum terus berkembang.”
Untuk memahami lebih dalam bagaimana ini berkait dengan penggunaan teknologi kuantum, perlu melihat secara terperinci fungsi teknologi itu sendiri. Untuk menyesuaikan sensor bagi kegunaan kriogenik, penyelidik menyambungkan thermopiles—komponen yang menjana tenaga elektromotif berdasarkan perbezaan suhu—kepada voltmeter nano, yang dapat mengesan voltan minimum yang disebabkan oleh perubahan suhu. Prestasi sensor RF dikendalikan dengan menggunakan voltan DC yang stabil, yang membolehkan pasukan mengukur kuasa RF sehingga -35 dBm tanpa melebihi had suhu sistem kriogenik.
Generator isyarat memberikan kuasa RF, dan output thermopile digunakan untuk mengira kuasa RF yang terhasil dalam sensor. Menurut kajian, ketepatan yang dicapai pada suhu 3 Kelvin membuka peluang untuk pengukuran kuasa yang boleh dikaitkan yang sangat diperlukan dalam teknologi kuantum. Kemampuan ini berpotensi mempengaruhi pelbagai aplikasi, dari pengesanan hingga pembangunan litar kuantum yang lebih kompleks.
Arah Masa Depan
Pengurus besar Solutions Group Aerospace, Defense dan Government di Keysight Technologies, Greg Patschke, menekankan kepentingan hasil ini, dengan menyatakan, “Usaha bersama kami telah membuka jalan untuk kemajuan dalam pengkomputeran kuantum dan aplikasi lain yang memerlukan pengukuran kuasa RF yang tepat pada suhu kriogenik.” Dia menambah, “Ini adalah pencapaian besar, dan kami sangat teruja untuk berkolaborasi dengan NPL dalam penyelidikan bersejarah ini.”
Kepentingan dan potensi pengukuran RF kriogenik mencerminkan teknologi kuantum yang ia layani. Seiring dengan perkembangan sistem kuantum dan ekspansi ke aplikasi baru, penemuan seperti kajian ini akan menjadi asas untuk mencapainya.
Penulis yang menyumbang kepada kajian ini termasuk Murat Celep, Sang-Hee Shin, Manoj Stanley, Eric Breakenridge, Suren Singh, dan Nick Ridler.
