Устройство, которое они использовали, называется смесителем SIS. Смеситель SIS назван в честь своей структуры - очень тонкой пленки изоляционного материала, зажатой между двумя слоями сверхпроводников (S-I-S). В радиотелескопе космические радиоволны, собранные антенной, подаются в смеситель SIS, а выходной сигнал усиливается малошумящими полупроводниковыми усилителями. Микшер SIS работает в условиях очень низкой температуры, всего 4 Кельвина (-269 градусов Цельсия), и усилители также работают при этой температуре.

Чтобы улучшить производительность радиотелескопов, исследователи разрабатывают широкоформатную радиокамеру, оснащенную 2D-матрицами SIS-микшеров и усилителей. Однако энергопотребление является ограничивающим фактором. Типичное энергопотребление полупроводникового усилителя составляет около 10 МВт, а при сборке 100 комплектов детекторов общее энергопотребление достигает максимальной охлаждающей способности холодильника с температурой 4 Кельвина.

Исследовательская группа, возглавляемая Такафуми Кодзимой, адъюнкт-профессором Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), предложила простую, но инновационную идею по созданию усилителя на сверхпроводнике путем подключения двух микшеров SIS. Команда использует основные функции микшера SIS: преобразование частоты и усиление сигнала. "Самым важным моментом является то, что энергопотребление миксера SIS, в принципе, составляет всего микроватты", - говорит Кодзима. "Это на три порядка меньше, чем у охлаждаемого полупроводникового усилителя".

После получения успешных предварительных результатов в 2018 году команда продвинулась как в теоретических исследованиях системы, так и в физической реализации ее различных компонентов. В конце концов, исследовательская группа оптимизировала систему и реализовала "усилитель SIS" с коэффициентом усиления на 5-8 дБ (в три-шесть раз) ниже частоты 5 ГГц и типичной температурой шума 10 К, что сопоставимо с современными полупроводниковыми усилителями с охлаждением, такими как HEMT и HBT, но с гораздо меньшим энергопотреблением.

"Изменяя конфигурацию компонентов, мы можем еще больше улучшить коэффициент усиления и малошумящие характеристики усилителя SIS", - объясняет Кодзима. "Идея соединения двух микшеров SIS имеет более широкое применение для создания различной электроники, имеющей функции, отличные от усиления".

Интересно, что этот малошумящий усилитель с низким энергопотреблением также широко используется для крупномасштабных квантовых компьютеров, устойчивых к ошибкам. Доступные в настоящее время квантовые компьютеры небольшого масштаба содержат менее 100 кубитов, но для крупномасштабных, устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров общего назначения потребуется более 1 миллиона кубитов. Для обработки большого количества кубитов также необходимо установить большое количество усилителей, и требуется значительное снижение потребляемой мощности усилителя.

NAOJ имеет опыт в разработке сверхпроводящих приемников для ряда радиотелескопов, включая 45-метровый радиотелескоп Нобеяма NAOJ, который начал функционировать в 1982 году. NAOJ также в настоящее время работает над модернизацией сверхпроводящих приемников для повышения производительности большой миллиметровой/субмиллиметровой антенной решетки Atacama (ALMA), которая эксплуатируется в Республике Чили в сотрудничестве с Восточной Азией, Европой и Северной Америкой. Из 10 типов приемников (соответствующих 10 различным полосам частот), установленных в настоящее время на ALMA, три были разработаны NAOJ, и чипы SIS, лежащие в основе этих приемников, также были разработаны и произведены в чистой комнате Центра передовых технологий NAOJ (ATC). NAOJ ATC продолжает продвигать исследования по миниатюризации и интеграции сверхпроводящих схем не только для создания более мощных радиотелескопов, но и для их использования в качестве основы различных технологий, которые будут поддерживать общество в новую эпоху, таких как квантовые вычисления.