محققان پیشرفت های قابل توجهی در زمینه حسگرهای ابررسانا داشته اند که برای مطالعه حرکت انرژی در مواد و کاربردهای علمی مختلف بسیار مهم هستند. دانشمندان با استفاده از حسگرهای ابررسانا و ترکیب تکنیک‌های تقویت کوانتومی، وضوح سیگنال‌ها را بدون ایجاد نویز پس‌زمینه افزایش داده‌اند.
به طور سنتی برای اندازه گیری حرکت انرژی در مواد ، شروع یک واکنش شامل تابش نور ویژه‌ی اشعه ایکس به یک نمونه به کمک آشکارسازهایی برای جمع آوری تابش حاصل بود. با این حال، سنسورهای معمولی اغلب فاقد حساسیت لازم برای چنین مطالعاتی هستند. برای مقابله با این چالش، محققان به سنسورهای ابررسانا روی آورده‌اند، اما تقویت سیگنال‌های این حسگرها دشوار است.
دانشمندان با تکیه بر پیشرفت‌ها در محاسبات کوانتومی، نوع جدیدی از تقویت‌کننده‌ها به نام تقویت‌کننده‌ی (superconducting traveling-wave parametric amplifier) را معرفی کرده‌اند. برخلاف اکثر تقویت کننده هایی که نویز را به اندازه گیری ها وارد می کنند، این تقویت کننده ها تقریباً بدون نویز هستند. پیشرفت اخیر نشان داده است که این تقویت کننده ها می توانند در دمای نسبتاً بالای 4 کلوین کار کنند که پیشرفت قابل توجهی است.
با کاهش نویز وارد شده در حین پردازش سیگنال، عملکرد حسگرهای ابررسانا را می توان تا حد زیادی بهبود بخشید. این تقویت هر سنسور را قادر می سازد تا سریعتر و با حساسیت بیشتری کار کند. علاوه بر این، آزمایش‌های اخیر نشان داده‌اند که تقویت‌کننده‌های پارامتری پتانسیل تجزیه و تحلیل سیگنال‌های چندین حسگر ابررسانا را به طور همزمان دارند که شرایط را برای ادغام چنین تقویت کننده هایی با فن آوری های مختلف حسگر ممکن می کند.
حسگرهای ابررسانا از یک دماسنج ابررسانا و یک جاذب (absorber) تشکیل شده‌اند که در آن اشعه ایکس حالت ابررسانایی حسگر را تغییر می‌دهد و جریان کمی را در مدار الکتریکی ایجاد می‌کند. برای افزایش حساسیت، چندین حسگر در یک آرایه مرتب شده اند. این سنسورها که در دماهای بسیار پایین تقریباً 0.09 کلوین کار می کنند، به تقویت کننده ها و خوانش الکترونیکی تخصصی نیاز دارند.
برای مقابله با چالش ترکیب سیگنال‌های چندین حسگر در یک خط خوانشِ واحد، محققان در حال بررسی استفاده از تقویت‌کنندهایی به نام ( kinetic-inductance traveling-wave parametric amplifier) به جای تقویت‌کننده‌های نیمه‌رسانای معمولی هستند. این تغییر نه تنها نویز خواندن را کاهش می دهد، بلکه آرایه های بزرگتری از سنسورهای سریعتر را نیز فعال می کند.
زنجیره تقویت پیشنهادی شامل یک تقویت‌کننده‌ی (kinetic inductance traveling-wave parametric amplifier) است که در 4 کلوین قرار گرفته و به دنبال آن یک تقویت‌کننده متعارف ترانزیستوربا موبیلیتیِ الکترون بالا یا همان (HEMT) در 70 کلوین قرار دارد. . در حالی که عملکرد تقویت‌کننده (kinetic inductance traveling-wave parametric amplifier) توسط دمای ورودی و نویز اضافی محدود می‌شود، در مقایسه با HEMT، اتلاف توان کمتری را ارائه می‌دهد و راه را برای استفاده از آن به عنوان جایگزینی برای تقویت‌کننده‌های نیمه‌رسانا هموار می‌کند.
به طور خلاصه، ادغام حسگرهای ابررسانا با تکنیک‌های تقویت مبتنی بر کوانتوم، نویدبخش بهبود حساسیت و عملکرد اندازه‌گیری‌های علمی مربوط به حرکت انرژی در مواد است. استفاده از تقویت‌کننده‌های (superconducting traveling-wave parametric amplifiers and microwave multiplexers)، فرصت‌های جدیدی را برای تجزیه و تحلیل سیگنال‌های چندین حسگر به‌طور همزمان ایجاد می‌کند و امکان توسعه آرایه‌های حسگر بزرگ‌تر و سریعتر را فراهم می‌کند. این پیشرفت‌ها پتانسیل ایجاد انقلابی در زمینه‌های مختلف از جمله پدیده‌های کوانتومی، واکنش‌های کاتالیزوری و تحقیقات پروتئین را دارند.
منبع
M. Malnou et al, Performance of a Kinetic Inductance Traveling-Wave Parametric Amplifier at 4 Kelvin: Toward an Alternative to Semiconductor Amplifiers, Physical Review
Applied (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.044009
M. Malnou et al, Three-Wave Mixing Kinetic Inductance Traveling-Wave Amplifier with Near-Quantum-Limited Noise Performance, PRX Quantum (2021). DOI: 10.1103/PRXQuantum.2.010302
