在射電望遠鏡中使用的最先進半導體技術，將爲實施量子電腦做出重要貢獻。國立天文臺的小島崇文副教授帶領的研究團隊，設計了一種全新概念的超導微波放大器，該放大器利用了一直被用於射電天文作爲等比增大元件觀測的電磁波檢測元件，成功地實施了比傳統冷卻型半導體放大器低3個數規模電力功耗的高性能冷卻型放大器。這個結果對於實施需要大量低噪音微波放大器的大型多波束射電觀測裝置以及故障容許度型量子電腦有着重要的意義。
國立天文臺小島崇文副教授
許多射電望遠鏡都是透過拋物面天線收集來自不同天體的廣播無線電的，用接收器（超導夾住絕緣體的三明治構造SIS混頻器）接收訊號，透過分析這些訊號來獲取天體的各種資訊。來自宇宙的訊號非常微弱，因此需要高性能的放大器，而且這些操作需要在極低的4K（克耳文）溫度下進行。
研究團隊嘗試將SIS混頻器和放大器像相機的圖像感測器那樣配置在二維平面上，以便開發出能極大地提高觀測效率的超導射電成像裝置，但冷卻型半導體放大器的典型消耗電力約爲10毫瓦，100臺便達到了通用的型4K冷凍機的冷卻能力上限。因此，放大器的低功耗化成爲重要的關注點。
對此，研究團隊設計了一種將兩個SIS混頻器級聯起來作爲放大器元件的全新概念超導微波放大器（SIS增幅器）。讓作爲射電望遠鏡接收器使用的SIS混頻器同時具有頻率轉換和等比增大訊號兩種功能。
小島副教授等人早在2018年就獲得了SIS增幅器在等比增大微波效果方面的初步成果，但當時對操作條件的理論解釋和結構最適化做得還不夠充分，僅停留在原理的驗證階段。在本次研究中，研究團隊重新探討了SIS增幅器的結構，同時最適化了輸入到SIS增幅器的局部訊號的條件。特別是從理論上發現了局部訊號的相會大半徑地影響SIS增幅器性能的關係，因此，透過導入局部信號產生器來調整相，成功地最適化了性能。
此次開發的SIS增幅器實施了10K左右的噪音溫度，對頻率低於5GHz的輸入信號實施了3～6倍的增益。此外，由於SIS混頻器單個元件的功耗通常爲微瓦級，所以它比傳統半導體放大器的電力功耗小了3個數規模以上。這也實施大規模超導量子電腦必不可少的技術。
圖2 ：本次開發的SIS增幅器。左右兩端的立方體爲SIS混頻器（供圖：自然科學研究機構 國立天文臺）
小島副教授表示，「本次試製的SIS增幅器長度爲10釐米，截面爲20平方毫米，目前還處於原理驗證階段。未來，我們將繼續操作最適化設計，目標是將全部由超導電路元件構成的積體電路安裝在硅基底層上，使其可以僅透過直流電流源動作。我們希望由此爲實施多波束射電望遠鏡和大規模量子電腦做出貢獻。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Applied Physics Letters 122, 072601 (2023)
論文：Characterization of a Low-noise Superconductor-Insulator-Superconductor-based Microwave Amplifier with Local Oscillator Phase-adjusting Architecture
DOI：10.1063/5.0134595
