Фильтры «Eccosorb» в квантовых вычислительных системах

Революционное развитие квантовой механики берёт начало в первой четверти XX века благодаря смелой гипотезе Луи де Бройля о волновой природе материи. Учёный предположил, что любая субатомная частица неразрывно связана с определённой волной, что заложило фундамент новой физической парадигмы.

Значительный прорыв произошёл в 1925 году, когда Эрвин Шрёдингер представил миру своё знаменитое волновое уравнение для описания поведения электрона. Именно Макс Борн впоследствии дал революционную интерпретацию этому уравнению, утверждая, что оно определяет вероятность обнаружения электрона в конкретной точке пространства при измерении.

Вернер Гейзенберг, анализируя волновую природу частиц, пришёл к фундаментальному выводу о принципиальной невозможности одновременного точного определения положения и импульса частицы. Эта концепция в 1927 году оформилась в знаменитый принцип неопределённости. А в 1932 году научный мир обогатился ещё одним важнейшим понятием — квантовой запутанностью, введённой Шрёдингером.

Современное воплощение квантово-механических принципов нашло своё отражение в квантовых вычислениях. В отличие от классических битов, квантовые биты (кубиты) обладают уникальными свойствами — способностью находиться в состоянии суперпозиции и проявлять квантовую запутанность, что открывает принципиально новые вычислительные возможности.

Для обеспечения корректной работы квантовых вычислительных систем критически важно использование специализированных поглощающих фильтров Eccosorb®. Эти устройства эффективно подавляют нежелательные тепловые и микроволновые шумы, что особенно важно в условиях криогенных температур, необходимых для функционирования квантовых процессоров.

Инновационный подход к разработке фильтров Eccosorb — технологическое решение для квантовых вычислений

Фильтры Eccosorb® представляют собой высокотехнологичные устройства, реализованные на базе линий передачи с контролируемыми потерями. В основе их конструкции лежит коаксиальная архитектура, где ключевым элементом выступает специализированный диэлектрик, насыщенный магнитными частицами. Именно этот материал обеспечивает эффективное поглощение микроволнового излучения с заданными частотными характеристиками.

Рисунок 1. Изображение поперечного сечения 43-мм фильтра Eccosorb CR-124 компании Mini-Circuits

Рисунок 2. Реальное поперечное сечение 

Современное производство таких фильтров базируется на использовании полужёсткого коаксиального кабеля RG402. Диэлектрический материал Eccosorb, применяемый в конструкции, принадлежит к семейству CR, где концентрация магнитных частиц варьируется от минимальной (CR-110) до максимальной (CR-124). Эта инновационная разработка, изначально созданная компанией Emerson & Cuming, сейчас совершенствуется подразделением Laird™ корпорации DuPont.

Технологический процесс изготовления фильтров включает несколько ключевых этапов. После извлечения исходного тефлонового диэлектрика производится вакуумная обработка материала Eccosorb для удаления воздушных включений. Затем разогретый до снижения вязкости состав заполняет освободившееся пространство с последующим отверждением. Важным конструктивным решением становится замена традиционного центрального проводника на более надёжный — из нержавеющей стали.

Компания Mini-Circuits разработала собственные запатентованные технологии массового производства фильтров Eccosorb. Инженерные решения компании позволяют оптимизировать производственный процесс для любого типа диэлектрика серии CR, обеспечивая стабильно высокое качество продукции.

Комплексная фильтрация в квантово-механических системах — синергия традиционных и инновационных решений

Значительный прорыв в области квантовых вычислений был достигнут исследовательской группой под руководством Х. Чжана в 2021 году. Учёным удалось существенно снизить рабочую частоту кубитов с гигагерцового до мегагерцового диапазона в квантовом процессоре на основе флюксония, одновременно уменьшив спектральную плотность шума без ущерба для быстродействия логических операций. Успех эксперимента был обеспечен комбинированным использованием как традиционных фильтров с дискретными элементами от Mini-Circuits, так и инновационных фильтров Eccosorb®.

Разработанная система фильтрации включает несколько последовательных этапов обработки сигнала. На начальном этапе, при комнатной температуре (300 К), применяется RC-фильтр нижних частот с частотой среза 0,1 Гц для линии потока постоянного тока. При достижении температуры 700 мК в статическом режиме происходит дополнительное ослабление сигнала на 20 дБ.

Дальнейшая фильтрация осуществляется каскадом из специализированных фильтров Mini-Circuits — моделей VLF-2350+ и SLP-1.9+. Завершающим элементом выступает фильтр Eccosorb на основе материала CR-124, после которого сигнал проходит через модифицированный тройник смещения Mini-Circuits ZFBT-4R2GW+ с замкнутым конденсатором.

Рисунок 3: Блок-схема флюксония и окружающей системы, демонстрирующая как традиционные фильтры, так и фильтры Eccosorb

Входящий радиочастотный поток проходит через многоступенчатую систему обработки, где первым этапом выступает контролируемое ослабление сигнала. За ним следует классическая LC-фильтрация, завершающаяся прецизионным фильтром Mini-Circuits модели VLF-2350+.

Отличительной особенностью системы является дополнительный фильтр Eccosorb, созданный на основе материала CR-110. Этот элемент размещён обособленно от традиционных фильтрующих компонентов и обеспечивает непосредственную связь с входным каскадом флюксониевого образца.

Детальный анализ архитектуры высокочастотных цепей — как зарядной, так и выходной — показывает, что фильтры Eccosorb CR-110 интегрированы напрямую с флюксониевым образцом. Такое конструктивное решение не случайно — криогенное охлаждение фильтров Eccosorb позволяет эффективно подавлять шумы именно на границе взаимодействия с квантово-механическими системами.

Дальнейшее обсуждение будет сфокусировано на обосновании применения криогенных фильтров Eccosorb как оптимального решения для подавления шумов в критически важной области — на стыке с квантово-механическими системами.

Важная роль фильтров Eccosorb в защите квантово-механических систем

Квантово-механическое ядро флюксониевого процессора функционирует в экстремальных условиях — при сверхнизкой температуре 15 мК в специализированной смесительной камере. Для обеспечения стабильной работы квантовой системы реализован многоуровневый комплекс защиты от внешних воздействий.

Первичную защиту обеспечивает свинцовый экран, блокирующий все виды электромагнитного излучения, включая инфракрасный диапазон. Дополнительный μ-металлический экран создаёт надёжную защиту от магнитных полей. Особое внимание уделяется защите коммуникационных линий — как входящих, так и исходящих — которые должны обеспечивать подавление шумов вплоть до уровня отдельных фотонов в диапазоне частот, достигающем инфракрасной области.

Хотя криогенные аттенюаторы совместно с традиционными фильтрами эффективно подавляют шум Джонсона-Найквиста в микроволновом диапазоне, они не способны обеспечить необходимую степень фильтрации в миллиметровом и инфракрасном диапазонах. Именно здесь проявляется уникальное преимущество фильтров Eccosorb®.

Способность фильтров Eccosorb® эффективно подавлять высокочастотные составляющие вплоть до инфракрасного диапазона даже при экстремально низких температурах (15 мК) определила их неофициальное название — «ИК-фильтры». Их ключевое преимущество в квантовых приложениях — способность поглощать, а не отражать нежелательное излучение в непосредственной близости от квантово-механического ядра, обеспечивая при этом превосходное согласование как в полосе пропускания, так и в полосе подавления.

Эксплуатационные параметры фильтров Eccosorb — анализ частотных характеристик

На рисунках 4 и 5 представлены частотные характеристики |S21| двух различных конфигураций фильтров на базе кабеля RG402. Первый образец — 50-миллиметровый фильтр с диэлектриком Eccosorb CR-110, второй — фильтр Mini-Circuits длиной 43 мм на основе CR-124. Измерения проводились при комнатной температуре.

Анализ показал, что фильтр Mini-Circuits с диэлектриком CR-124 демонстрирует частоту среза (-3 дБ) на уровне 470 МГц, в то время как фильтр с CR-110 характеризуется частотой среза 4,2 ГГц. При охлаждении до 3К наблюдается температурная зависимость характеристик: частота среза CR-110 возрастает на 50%, а CR-124 — на 30%.

Особенно примечательно поведение фильтра CR-124 с повышенной концентрацией магнитных частиц. В диапазоне 2,5–5 ГГц его характеристика |S21| демонстрирует крутизну, сопоставимую с десятисекционным LC-фильтром. В свою очередь, фильтр CR-110 обеспечивает стабильное затухание от -25 до -40 дБ в диапазоне 20–67 ГГц.

Как и во всех фильтрах на основе линий передачи с потерями, частота среза определяется двумя ключевыми параметрами: длиной конструкции и погонными потерями в диэлектрике Eccosorb. Существует обратная зависимость между длиной фильтра и частотой среза. Серия материалов Eccosorb предлагает различные варианты концентрации магнитных частиц: от CR-110 с минимальной концентрацией до CR-124 с максимальной. Промежуточные варианты — CR-112, CR-114, CR-116 и CR-117 — обеспечивают плавное изменение характеристик.

Производственные технологии Mini-Circuits гарантируют высокую повторяемость параметров и практически полное отсутствие пустот в диэлектрике, что позволяет создавать надёжные фильтры с предсказуемыми характеристиками на основе любого материала серии CR.

Рисунок 4: Частотная характеристика |S21| для 50-миллиметрового фильтра Eccosorb CR-110 и 43-миллиметрового фильтра Eccosorb CR-124 производства Mini-Circuits.

Рисунок 5: Частотная характеристика |S21| для 50-миллиметрового фильтра Eccosorb CR-110 и 43-миллиметрового фильтра Eccosorb CR-124 производства Mini-Circuits

Исследование параметров отражения, представленное на рисунке 6, демонстрирует характеристики |S11| и |S22| для фильтра CR-124 производства Mini-Circuits, а также параметр |S22| для фильтра CR-110, где для повышения наглядности применялось усреднение методом скользящего среднего.

Фильтр CR-110 демонстрирует исключительные показатели возвратных потерь, сохраняя их даже в диапазоне частот, где вносимое затухание достигает 20–30 дБ. Ещё более впечатляющие результаты показывает фильтр CR-124 от Mini-Circuits — даже при колоссальном затухании в 80–100 дБ возвратные потери не превышают 5–10 дБ, что является исключительным показателем.

Такие выдающиеся характеристики подавления отражённых сигналов имеют критическое значение для квантовых схем. Благодаря эффективному поглощению, а не отражению, микроволновые и миллиметровые шумы не создают вторичных помех в других участках квантовой схемы, что обеспечивает чистоту квантовых состояний.

Рисунок 6: Частотная характеристика |S11| и |S22| для 50-миллиметрового фильтра Eccosorb CR-110 и 43-миллиметрового фильтра Eccosorb CR-124 производства Mini-Circuits

Несмотря на то, что измерения параметров |S21|, |S11| и |S22| проводились в диапазоне до 67 ГГц, существуют убедительные данные о более широкополосных свойствах этих материалов. Согласно диссертационному исследованию Маслука (2012), компания Emerson & Cuming прогнозировала эффективное затухание своих эпоксидных диэлектриков серии CR вплоть до оптического диапазона частот.

Именно эта уникальная способность фильтров Eccosorb® эффективно подавлять шумы в сверхшироком диапазоне — от микроволнового до оптического — определила их широкое применение в квантовых вычислительных системах. Важно отметить, что ещё в 1997 году были доступны подробные характеристики материала CR-110, включая показатель преломления (n), диэлектрическую проницаемость (ε) и тангенс угла потерь (tan δ), измеренные на частотах 100, 300 и 900 ГГц при температурах 4,8K и 300K.

Практическая реализация фильтров Eccosorb в квантово-механических системах

Анализ схемы на рисунке 3 демонстрирует продуманное применение различных типов фильтров Eccosorb. Фильтр CR-124 с частотой среза около 470 МГц при комнатной температуре (увеличивающейся примерно на 30% при криогенных температурах) используется в линии потока постоянного тока. В сочетании с тройником смещения Mini-Circuits ZFBT-4R2GW+ он эффективно поглощает как высокочастотные составляющие импульсов потока, так и шумы терагерцового диапазона.

Фильтр CR-110 применяется для обработки выходных импульсов считывания флюксониевого образца на частоте 7 ГГц. При криогенных температурах его частота среза составляет 6,3 ГГц (увеличение на 50% от комнатной температуры в 4,2 ГГц), что оптимально для данного применения. Кроме того, этот фильтр эффективно подавляет широкополосные шумы от HEMT-усилителя, проходящие через фильтр нижних частот и циркуляторы, защищая тем самым квантовое ядро от помех, способных исказить состояния кубитов и внести ошибки при считывании.

От теории к практике — всеобъемлющий анализ фильтров Eccosorb

В данном исследовании мы детально рассмотрели конструктивные особенности фильтров Eccosorb®, включая их поперечное сечение и инновационные производственные технологии Mini-Circuits. Особое внимание было уделено сравнительному анализу традиционных отражающих фильтров и поглощающих фильтров Eccosorb в контексте квантово-механических систем, что позволило продемонстрировать недостаточность использования только традиционных фильтров для достижения требуемого уровня шумоподавления в квантовых вычислениях.

Изучение характеристик фильтров Eccosorb при криогенных температурах и их практическое применение в реальных квантово-механических системах, проиллюстрированное на рисунке 3, позволяет в полной мере оценить их критическую роль в современных квантовых технологиях.