ИСТИНА

Продление: https://istina.msu.ru/projects/479784955/ Проект направлен на развитие теоретических и экспериментальных физических основ построения высоколинейных широкополосных активных антенн, предназначенных для новейших приемных систем, осуществляющих прямую оцифровку широкополосных сигналов с последующей цифровой фильтрацией и обработкой информационного контента различного типа. Современное развитие информационно-телекоммуникационных технологий ограничено предельными возможностями, достигнутыми используемой полупроводниковой элементной базой. Такое состояние отрасли ставит на повестку дня вопрос о создании принципиально новых технологий представления информации, передачи, приема, обработки, хранения и защиты информации, базирующихся на законах квантовой физики и оперирующих логическими состояниями с использованием квантовых носителей информации. Использование макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках позволяет реализовать новые цифровые технологии с крайне малым энергопотреблением и тепловыделением на основе быстрой одноквантовой логики, оперирующей в качестве носителей логической информации одиночными квантами магнитного потока – флаксонами. Такие новые цифровые технологии дают возможность преодоления фундаментальных ограничений, в которые упирается развитие современной полупроводниковой электроники и, следовательно, развитие информационно-телекоммуникационных технологий. В частности, прогресс в области сверхпроводниковой электроники привел к созданию широкополосных аналого-цифровых преобразователей, способных обеспечить большой динамический диапазон высоко-линейного преобразования сигналов. Таким образом, появились новые возможности развития информационных и телекоммуникационных систем, основанных на использовании широкополосных приемных устройств с прямой оцифровкой сигналов. Подобные системы позволяют осуществлять одновременно широкополосный прием большого числа сигналов от различных источников и их последующую параллельную цифровую обработку. Такие приемные системы представляют из себя ультрасовременные интеллектуальные телекоммуникационные системы, характеризующиеся высокой пропускной способностью и уникальными характеристиками чувствительности, получаемыми за счет использования макроскопических квантовых эффектов. Для полноценного применения широкополосных систем с прямой оцифровкой сигналов необходима разработка входного антенного тракта, не ухудшающего интегральные характеристики всего устройства, что может быть реализовано на основе сверхпроводящих антенн активного типа. Задача построения активных широкополосных сверхпроводящих антенн, необходимых для развития указанных новых технологий, остается пока нерешенной. Данный проект предусматривает решение этой проблемы, основанное на получении принципиально новых теоретических и экспериментальных научных результатов.

The project aims to develop the theoretical and experimental physical basis for the construction of high-linear wideband active antennas designed for the novel receiving systems that directly digitize broadband signals with subsequent digital filtering and processing of various types of information content. The modern development of information and telecommunication technologies is restricted by the limiting capacities achieved by the used semiconductor element base. This state of the industry puts on the agenda the issue of creating fundamentally new technologies for information representation, transmission, reception, processing, storage and protection based on the quantum physics laws and operating with logical states by using quantum information carriers. The use of macroscopic quantum effects in superconductors makes it possible to implement new digital technologies with extremely low power consumption and heat dissipation based on rapid single flux quantum logic, which operates with single magnetic fluxes (fluxons) as logical information carriers. Such new digital technologies make it possible to overcome the fundamental constraints, against which the development of modern semiconductor electronics and, consequently, the development of information and telecommunication technologies rest. In particular progress in the field of superconducting electronics has led to the creation of broadband analog-to-digital converters capable of providing a large dynamic range of high-linear signal conversion. Thus, there are new opportunities for the development of information and telecommunication systems based on the using of broadband receivers with direct digitization of signals. Such systems provide simultaneous broadband reception of a large number of signals from various sources and their subsequent parallel digital processing. Such receiving systems are ultra-modern intellectual telecommunications systems characterized by high bandwidth and unique sensitivity characteristics obtained through the use of macroscopic quantum effects. For the full use of broadband systems with direct signal digitization, it is necessary to develop an input antenna path that does not degrade the integral characteristics of the entire device, which can be implemented on the basis of active-type superconducting antennas. The objective of building active broadband superconducting antennas, which are necessary for the development of these new technologies, remains unresolved. This project provides a solution to this problem, based on obtaining fundamentally new theoretical and experimental scientific results.

Основной научной задачей данного проекта является дальнейшее развитие физических основ построения широкополосных активных сверхпроводящих приемных антенн. В рамках выполнения данного проекта будут разработаны и впервые экспериментально протестированы прототипы активных сверхпроводящих устройств на основе единичных ячеек оптимизированных би-сквидов, а также прототипы сверхпроводящих антенных систем активного типа с концентраторами/трансформаторами магнитного потока. Предлагаемая концепция активных сверхпроводящих антенн, в отличие от мировых аналогов, характеризуется широкой полосой пропускания с одновременным высоко линейным откликом напряжения на внешний сигнал, что делает ее идеальным кандидатом для входного тракта ультрасовременных телекоммуникационных систем с прямой оцифровкой принимаемых широкополосных сигналов, а ожидаемые результаты – превосходящими мировой уровень исследования по данной проблеме. Полученные в рамках выполнения данного проекта результаты позволят сформулировать принципы построения сверхпроводниковых телекоммуникационных систем, обеспечивающих решение вопросов качественной и надежной связи с удаленными регионами (в том числе Арктики и Антарктики), а также с объектами в космическом пространстве.

Научным коллективом были осуществлены теоретические разработки физических основ использования макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках, в том числе развита концепция сверхпроводниковых квантовых решеток и ее базисных элементов – дифференциальных квантовых ячеек и би-сквидов. Теоретические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями, а также опубликованными результатами других независимых исследований, в том числе результатами публикаций. Разработаны и применены алгоритмы и методы многопараметрического анализа и оптимизации многоэлементных джозефсоновских устройств с высокой линейностью характеристик до 100 дБ. Рассмотрена задача анализа влияния нагрузки на линейность характеристик квантовых ячеек, а также достижимой степени и условий компенсации этого воздействия. Изучены размерные эффекты в активных сверхпроводящих электрически малых антеннах и их влияние на линейность выходного сигнала антенны за счет фазового сдвига входных сигналов в плечах дифференциальных квантовых ячеек и нарушения симметрии распределения магнитного потока внутри квантовых ячеек. Реализован и исследован прототип активной электрически малой антенны бестрансформаторного типа. При выполнении работ в рамках проекта РНФ “Разработка принципов применения сверхпроводящих квантовых антенн” были получены результаты анализа наиболее эффективных применений подобных антенн. Для изготовления прототипов сверхпроводящих антенн будет применятся ниобиевая многослойная технология изготовления высококачественных туннельных переходов Nb-AlOx-Nb, разработанная в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Данная технология применялась при проведении целого ряда фундаментальных физических исследований и экспериментов.