Calibración de telecomunicaciones de próxima generación en 5G y más allá
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han diseñado y demostrado los componentes de salida de un nuevo estándar de autocalibración basado en cuánticos para probar componentes e instrumentos en redes de telecomunicaciones de última generación. Con un mayor desarrollo, el sistema puede eventualmente proporcionar señales de referencia para redes que se ejecutan en el rango actual de 5G, y pronto muy por encima, que puede alcanzar de 24 a 39 mil millones de ciclos por segundo (gigahercios, GHz). Eso es más de 10 veces más rápido que 4G.
En este momento, no existe un estándar de referencia basado en cuántica. Como resultado, ya es extremadamente difícil medir, caracterizar y calibrar señales con precisión a velocidades de 5G, detectando problemas como distorsión de forma de onda y errores de sincronización en componentes y sistemas. Eventualmente, las redes de «banda alta» operarán a frecuencias de hasta 100 GHz y posiblemente más allá, lo que representa un desafío de medición formidable.
Además, en frecuencias más altas dirigidas a áreas urbanas, las formas de onda pierden su fuerza en distancias más cortas, por lo que las señales más rápidas tendrán que ser impulsadas más a menudo por un mayor número de repetidores y sitios celulares sincronizados con precisión, todo sin alterar el tiempo y la forma de las formas de onda. . El monitoreo y el mantenimiento de la integridad de tales redes requerirán instrumentos de medición y analizadores de señales con una capacidad dramáticamente mayor, calibrados contra un estándar autorizado de señales de referencia.
“No existen estándares de señal de referencia primarios en estas frecuencias”, dijo el científico del proyecto del NIST, Pete Hopkins. “Lo que se usa principalmente ahora son receptores o muestreadores que miden la potencia de una señal entrante. Una fuente de referencia, o un transmisor si lo prefiere, en frecuencias inalámbricas 5G, cambiaría las reglas del juego”.
El nuevo diseño de fuente de forma de onda de referencia, la primera fuente de señal con precisión basada en efectos cuánticos, está destinado en última instancia a implementarse en un solo chip. El trabajo se describe en el artículo de IEEE Transactions on Superconductivity publicado el 3 de febrero de 2021. Se basa en un trabajo innovador anterior del NIST, pero explota una tecnología cuántica diferente.
Sintetizador de forma de onda cuántica de flujo único de NIST
Para generar señales con precisión cuántica en las frecuencias súper altas necesarias para la comunicación inalámbrica de última generación, el NIST está desarrollando un generador de forma de onda ultrarrápido. Funciona mediante la transferencia de unidades de flujo magnético discretas, cuantificadas exactamente («single flux quantum» o SFQ) a lo largo de un circuito hecho de una serie de uniones Josephson, cada una de las cuales consiste en dos pequeños electrodos superconductores separados por una barrera muy delgada. Un SFQ se almacena como una corriente persistente en el circuito superconductor formado por uniones adyacentes. La aplicación de un pulso de corriente además de la corriente que ya pasa por un cruce puede hacer que el cruce cambie y el SFQ se transfiera al siguiente cruce de la serie. Al final de la línea, la transferencia SFQ crea una forma de onda de pulso de voltaje,
El nuevo diseño se inspiró en el sintetizador de forma de onda arbitraria Josephson (JAWS) programable del NIST, el instrumento de referencia estándar del NIST para voltaje de CA. JAWS utiliza cientos de miles de dispositivos superconductores microscópicos sincronizados llamados uniones Josephson (JJ) enfriados a 4 kelvin (-269 ˚C), cada uno de los cuales genera una corriente de pulsos de voltaje precisos como resultado de su comportamiento cuántico intrínseco. Esos pulsos se combinan para crear una sola señal de voltaje más grande y se generan en patrones complejos para producir señales complejas útiles para calibraciones y mediciones de comunicaciones.
Una modificación reciente de alta velocidad al diseño de JAWS, ahora en desarrollo, puede alcanzar frecuencias de unos pocos gigahercios, rápido, pero aún mucho más bajo de lo necesario para servir como una herramienta de calibración para el rango completo de frecuencias de señal 5G. Ahí es donde entran los próximos pasos.
Een el nuevo diseño de JAWS descrito en el artículo de IEEE, los investigadores emplean tecnología de «cuántico de flujo único» (SFQ). Los pulsos de salida eléctrica extremadamente pequeños y breves se emiten desde las uniones de Josephson cuando son excitados por una señal eléctrica. Al igual que muchas propiedades a escalas extremadamente pequeñas, estos diminutos pulsos eléctricos están cuantificados, es decir, solo pueden tomar valores exactos y específicos, de los cuales la cantidad más pequeña posible es un solo cuanto de flujo. Y debido a que están cuantificados, sus valores se conocen y controlan con precisión, la clave para hacer un estándar de referencia.
Los patrones de secuencia de pulsos de los SFQ, en los que los ceros y unos digitales de la señal están representados por la presencia o ausencia de un SFQ, se mueven a un bucle de circuito que actúa como un búfer de memoria en las computadoras ordinarias.
Una vez que una serie de SFQ se almacena en el búfer, que aún está en desarrollo, un reloj de alta velocidad transporta el flujo de pulsos fuera de la memoria a la siguiente etapa. La velocidad y la estabilidad de este reloj, que puede funcionar a más de 100 GHz, más de 20 veces más rápido que el reloj de una PC típica, se construye a partir de la tecnología SFQ y es la razón por la cual esta nueva fuente de forma de onda de referencia puede funcionar a frecuencias 5G.
Aunque este flujo de pulsos SFQ ahora es rápido, los pulsos individuales son demasiado pequeños para producir una señal útil. Se requiere un amplificador para aumentar esta señal. Pero esto no puede ser un amplificador ordinario. Para servir como una fuente estándar precisa, debe multiplicar exactamente la señal mientras combina y sincroniza con precisión los cuantos de flujo único.
Para hacer esto, cada pulso SFQ se enruta a un «divisor» que produce múltiples copias de la señal en los canales de ramificación. La cantidad de la multiplicación depende del diseño de los canales de ramificación. El diseño actual del NIST multiplica una sola entrada en dos, cada una de ellas en dos más y cada una de ellas en dos más, lo que da como resultado una multiplicación por ocho. Se requerirán multiplicaciones más altas antes de que se pueda implementar dicho sistema.
“El divisor funciona duplicando el pulso varias veces”, dijo Manuel Castellanos-Beltran, primer autor del informe IEEE. “La energía adicional requerida para hacer esto se proporciona eléctricamente a los componentes del árbol divisor”.
Finalmente, cada uno de los pulsos multiplicados se enruta a una serie de dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID). Los SQUID son detectores de campos magnéticos exquisitamente sensibles, como los asociados con los pulsos SFQ, y se usan habitualmente en medicina para detectar y medir, por ejemplo, los campos extremadamente débiles generados por las señales nerviosas en el cerebro. Se utiliza una matriz de SQUID para combinar los pulsos SFQ porque cada SQUID se puede acoplar de forma inductiva (magnética) a cada uno de los canales divisores. La matriz SQUID suma todos los pulsos duplicados para formar un pulso 8 veces mayor en toda la matriz SQUID. Esta señal es lo suficientemente fuerte como para ser fácilmente identificada por equipos electrónicos.
“La disponibilidad de fuentes de referencia estándar permitirá mejoras en la calidad de la señal en todos los componentes de la cadena de comunicaciones 5G: transmisores, amplificadores y receptores”, dijo Sam Benz, líder del equipo del proyecto. “Por ejemplo, los problemas con un receptor que agrega mucho ruido y distorsión se pueden identificar fácilmente si sabe que la fuente proporciona al receptor una señal limpia y precisa”.
“Estamos emocionados de descubrir hasta dónde podemos extender esta tecnología”, dijo Castellanos-Beltran. “Necesitamos demostrar frecuencias más altas y niveles de señal de salida más altos, los cuales son un desafío por derecho propio. Eso es lo que estamos tratando de averiguar en este momento”.
NIST