طراحی و شبیه‌سازی یک میکسر جوزفسونی مبتنی بر فناوری nb/al2o3/nb برای کاربرد در رادار کوانتومی مایکروویو

امروزه یکی از کلیدی‌ترین فناوری‌های پشتیبان حوزه کوانتوم، فناوری ابررسانایی است و بسیاری از افزاره‌های پرکاربرد در سامانه‌های کوانتومی، مبتنی بر ابررسانایی طراحی و ساخته می‌شوند. یکی از این افزاره‌ها میکسر جوزفسونی می‌باشد. این قطعه در سیستم‌های کوانتومی به ویژه در طیف مایکروویو از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. در این مقاله پس از معرفی میکسر و ساختار و اصول عملکردی یک میکسر جوزفسونی، به استخراج مدل مداری این قطعه مبتنی بر پیوند جوزفسون تمام نایوبیوم (nb/al2o3/nb) پرداخته شده است. سپس میکسر جوزفسونی مبتنی بر فناوری مذکور و با استفاده از نرم‌افزار pspice در طیف مایکروویو شبیه‌سازی شده است و خروجی‌ها به همراه پاسخ‌های فرکانسی ارائه شده‌است. همچنین پارامترهای طراحی به منظور یافتن بهترین دامنه عملکردی میکسر جوزفسونی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. با توجه به نتایج بدست آمده در صورت بهره‌گیری از فناوری تمام نایوبیوم در پیاده‌سازی پیوند جوزفسون در ساختار این میکسر، محدوده‌ی کاری این قطعه در حدود 1گیگاهرتز تا 100 گیگاهرتز خواهد بود. این قطعه به‌عنوان مبدل فرکانسی و تقویت‌کننده در منابع رادارهای کوانتومی و همچنین به منظور تولید فوتون‌های درهم‌تنیده در فرستنده این نوع از رادارها مورد توجه بوده و با توجه به قابلیت‌ کار در طیف مایکروویو، نویز بسیار ناچیز و سرعت بسیار بالا، الزامات لازم برای دستیابی به قابلیت‌های متصور برای یک رادار کوانتومی طیف مایکروویو مانند افزایش امکان آشکارسازی در سیگنال به نویزهای پایین را فراهم می‌کند.

design and simulation of a josephson mixer based on nb/al2o3/nb technology for application in microwave quantum radar

today, one of the most key technologies supporting the quantum field is superconductivity technology, and many commonly used devices in quantum systems are designed and built based on superconductivity. one of these devices is the josephson mixer. this device is very important in quantum-microwave systems. in this article, after introducing the mixer and the structure and functional principles of a josephson mixer, extracting the circuit model of this mixer based on the trilayer (nb/al2o3/nb) jj is discussed. then the josephson mixer based on the mentioned technology and using pspice software is simulated in the microwave spectrum and the outputs are presented along with the frequency responses. also, the design parameters have been investigated and analyzed in order to find the best functional range of the josephson mixer. according to the obtained results, the working range of this device will be around 1ghz to 100ghz. this device is of interest as a frequency converter and amplifier in the sources of quantum radars, as well as for the purpose of producing entangled photons in the transmitter of this type of radars, and due to the ability to work in the microwave spectrum, very low noise and very high speed, the necessary requirements to achieve the capabilities envisioned for a quantum-microwave radar, such as increasing the possibility of detection in low signal to noise levels.