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Systementwicklung einer kommerziellen quantenbasierten Source-Measurement-Unit basierend auf dem Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer

01.04.2021

Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) können als „quantengenaue“ Generatoren (Source) und Messsysteme (Measurement Unit) für elektrische Gleich- und Wechselspannungssignale eingesetzt werden. JAWS-SMUs sind konventionellen Systemen bezüglich Messunsicherheit und -geschwindigkeit deutlich überlegen und in einem breiten Anwendungsspektrum einsetzbar, so zum Beispiel für Messungen und Kalibrierungen im Bereich von Gleich- und Wechselspannungen mit Signalamplituden bis zurzeit etwa 2 Volt (Effektivwert).

 

 

 

Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind neuartige Impedanzmessbrücken, Phasennormale für elektrische Signale oder Referenzen für Rauschsignale in der Rauschthermometrie. Die physikalische Basis von JAWS-Systemen bilden pulsgetriebene Josephson-Schaltungen (Bild 1) bestehend aus mehreren Tausend supraleitender Tunnelkontakte. Die hochpräzise zeitliche Taktung der antreibenden Pulse, die den hochintegrierten Schaltungen in mittels ΔΣ-Modulation berechneten Pulsmustern zugeführt werden, ermöglicht die Erzeugung beliebiger Spannungssignale mit relativen Unsicherheiten von besser als 10-9 (Effektivwert). In Bild 2 ist die Verteilung der Pulse für die Generierung einer Sinuswellenperiode gezeigt.

 

Die hohe Flexibilität von JAWS-SMUs bewirkt gegenwärtig wachsendes Interesse an deren Einsatz seitens nationaler Metrologieinstitute und Kalibrierlaboratorien. Um diesem Bedarf nachzukommen entwickelt die PTB nun in Kooperation mit zwei deutschen Unternehmen im Rahmen eines TransMeT-Technologietransferprojekts die Basis für eine kommerzialisierbare JAWS-SMU. Das modulare System soll vollautomatisierte Messungen ermöglichen und nach praktischen Eignungstests im industriellen Kalibrierlabor und vollzogenem Technologietransfer zum Systemhersteller zukünftig kommerziell erhältlich sein.

 

Die neue JAWS-SMU wird langfristig allen anderen Josephson-Spannungsnormalen bezüglich der Einsatzmöglichkeiten überlegen sein. Gegenwärtig arbeitet die PTB intensiv an der Weiterentwicklung der Josephson-Schaltungen, um die weitere Erhöhung der Signalamplituden (bis zu 10 V) und des nutzbaren Frequenzbereichs (bis zu 1 MHz) zu ermöglichen.

 

JAWS-Chips mit jeweils zwei in Reihe betriebenen Josephson-Schaltungen

Bild 1: JAWS-Chips mit jeweils zwei in Reihe betriebenen Josephson-Schaltungen (15 000 supraleitende Tunnelkontakte pro Schaltung, hergestellt im Reinraumzentrum der PTB).

 

Dichteverteilung der elektrischen Pulse, mit der eine JAWS-Schaltung zur Generierung einer Sinuswelle angetrieben wird

Bild 2: Dichteverteilung der elektrischen Pulse, mit der eine JAWS-Schaltung zur Generierung einer Sinuswelle angetrieben wird (ΔΣ-Modulation 2. Ordnung, 240 Mbit ternärer Code).

 

 

 

 

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“

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