КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-79-10083

НазваниеПланарный феррозондовый преобразователь для системы магнитного вакуума квантового компьютера

РуководительБаранов Павел Федорович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2019 

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-707 - Элементная база квантовых компьютеров и систем связи

Ключевые словаКвантовый компьютер, слабое магнитное поле, феррозондовый преобразователь, планарный датчик магнитного поля, сверхпроводимость.

Код ГРНТИ59.29.33


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Построение универсального квантового компьютера в виде реального физического прибора является фундаментальной задачей 21 века. Решением задачи построения квантового компьютера, включающего в себя процессор, управление процессором, систему охлаждения, фильтрацию, экранирование и создание магнитного вакуума, защиту от внешних воздействий, разработку программного обеспечения, занимается всего несколько организаций в мире, например, D-Wave Systems Inc., Burnaby, Canada. В частности, в этой фирме разработана система для создания магнитного вакуума, позволяющая минимизировать влияние внешних магнитных полей на работу квантового процессора. В таких системах используют пассивные и активные методы экранирования магнитных полей. Пассивные методы основаны на применении экранов из материалов с высокой магнитной проницаемостью или сверхпроводников. В активных методах магнитное поле компенсируется с помощью системы катушек. Катушки включены в систему с обратной связью, значение магнитного поля измеряется датчиками, расположенными в непосредственной близости от экранируемого объекта. Тепловой шум ограничивает верхнюю рабочую температуру сверхпроводникового квантового процессора на уровне от 50 до 70 мК. Такая температура достигается в рефрижераторах растворения непрерывного цикла, лучшие из них обеспечивают охлаждаемую мощность около 100 мкВт при температуре 50 мК. Таким образом, требования к условиям работы квантового процессора определяют требования к датчикам магнитного поля: должно обеспечиваться измерение абсолютного значения магнитной индукции с точностью не менее 100 пТл в широком диапазоне температур вплоть до 50 мК при тепловыделении менее 100 мкВт. В настоящее время система магнитного вакуума, разработанная в D-Wave Systems Inc., обеспечивает точность около 1 нТл в подобных условиях. В качестве датчика абсолютного магнитного поля при низких температурах используется феррозондовые магнитометры, например, Магнитометр Mag-01 фирмы Bartington Instruments. Mag-01 позволяет измерять одну компоненту магнитной индукции с разрешением не более 1 нТл в диапазоне температур от 300 до 4 К. При этом погрешность измерений может достигать ± 5 нТл, что не удовлетворяет требованиям квантового процессора. Повышение характеристик феррозондовых преобразователей может проводится по трем направлением: оптимизация планарной конструкции для уменьшения массогабаритных размеров и тепловыделения; возбуждение сигналом сложной формы и созданием алгоритма обработки выходного сигнала для увеличения чувствительности и точности измерений; использование новых, более термостабильных магнитных наноматериалов при изготовлении сердечника для минимизации шумов и повышения чувствительности. В результате выполнения проекта предполагается создать планарный феррозондовый преобразователь магнитного поля для работы в широком диапазоне температур c рассеиваемой мощностью менее 100 мкВт, многоканальный контроллер для возбуждения сигналом сложной формы системы преобразователей и считывания сигналов от этой системы и калибровочную систему для калибровки преобразователей магнитного поля в условиях магнитного вакуума при температуре до 50 мК.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены следующие результаты: Создан метод проектирования планарных феррозондовых преобразователей для работы в условиях сверхнизких температур на основе конечно-элементного моделирования. Определены оптимальные условия возбуждения феррозондовых преобразователей сигналом сложной формы для увеличения чувствительности измерения магнитной индукции. Создан алгоритм обработки выходного сигнала с феррозондового преобразователя на основе синхронного детектирования сигнала сложной формы для увеличения точности измерений. Изготовлен экспериментальный образец планарного феррозондового преобразователя с разрешением 100 пТл для работы в составе квантового компьютера в диапазоне температур вплоть до 50 мК при тепловыделении менее 100 мкВт. Изготовлена калибровочная система для калибровки экспериментального образца планарного феррозондового преобразователя в условиях магнитного вакуума при температуре до 50 мК и проведены его исследовательские испытания в компании D-Wave Systems Inc. Полученные по итогам выполнения проекта результаты позволят создавать системы активного магнитного вакуума в условиях сверхпроводимости для обеспечения работоспособности квантового компьютера. Созданные метод проектирования планарных феррозондовых преобразователей и алгоритм обработки выходного сигнала позволят повысить чувствительность и точность измерений магнитной индукции в миниатюрных феррозондах, что даст возможность их применения в системах ориентации и навигации различных роботехнических комплексов взамен менее точным магниторезистивных датчиков.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Цели первого этапа проекта выполнены полностью в соответствии с поставленными задачами. По итогам выполнения первого этапа проекта получены следующие результаты: Создан метод проектирования планарных феррозондовых преобразователей для работы в условиях сверхнизких температур на основе конечно-элементного моделирования. Метод обеспечивает анализ чувствительности и тепловыделения феррозондового преобразователя в зависимости от конструкции, материала сердечника, температуры окружающей среды и значения измеряемой магнитной индукции. Метод проектирования феррозондового преобразователя позволяет учитывать тепловыделение подводящих проводов в зависимости от тока возбуждения в условиях сверхнизких температур. Разработанный метод реализован в среде конечно-элементного анализа Comsol Multiphysics и включает пять этапов: 1.1 Описания физической формы объекта. 1.2 Настройка материалов. 1.3. Настройка физики. 1.4. Формирование конечно-элементной сетки. 1.5. Настройка решателя. После выполнения пятого этапа автоматически создаются график распределения плотности магнитного потока и распределения температуры по объёму анализируемого пространства, эпюры тока возбуждения феррозонда и ЭДС на выходе феррозонда. На основе созданного метода проектирования была создана конечно-элементная модель планарного феррозондового преобразователя. Анализ созданной модели феррозондового преобразователя при значениях внешнего измеряемого поля от 100 мкТл до 100 пТл показал его работоспособность в условиях сверхнизких температур. Температура рабочей среды увеличилась с начального значения 20 мкК до 47 мкК, что является допустимым. Для решения задачи повышения чувствительности феррозондовых преобразователей при измерениях слабых магнитных полей был проведен математический анализ работы дифференциального феррозонда в зависимости от формы сигнала возбуждения и способа аппроксимации средней кривой намагничивания сердечника. На основе данного анализа установлены закономерности между спектральным составом сигнала возбуждения феррозонда и спектральным составом сигнала на его выходе и определены оптимальные условия возбуждения феррозондового преобразователя сигналом сложной формы с учетом частотозависимости магнитной проницаемости выбранного материала сердечника феррозонда. Полученные теоретические результаты повышения чувствительности были подтверждены экспериментальными исследованиями на примере типового феррозонда. На основе полученных аналитических выражений, связывающих спектральный состав сигнала возбуждения феррозонда и спектральный состав сигнала на выходе феррозонда предложен алгоритм обработки выходного сигнала с феррозонда на основе синхронного детектирования на опорный сигнал сложной формы, содержащей в своем спектре только чётные гармоники. Новизна предлагаемого алгоритма заключается в том, что для повышения чувствительности и точности измерений феррозондовый преобразователь будет возбуждаться сигналом сложной формы, содержащем в своем спектре только нечётные гармоники равной амплитуды. Выходной сигнал с феррозондового преобразователя будет синхронно детектироваться на опорный сигнал сложной формы, содержащей в своем спектре только чётные гармоники. Таким образом чувствительность измерений будет повышена за счет синергетического эффекта одновременного измерения четных гармоник в спектре ЭДС на выходе феррозонда. Для калибровки экспериментального образца планарного феррозондового преобразователя рассчитана аналитически многокатушечная калибровочная система обеспечивающая неоднородность трех компонент магнитного поля не более 0,1 % и создана ее конечно-элементная модель. Созданная конечно-элементная модель многокатушечной калибровочной системы позволяет проводить оценку объема однородности и амплитуды создаваемого магнитного поля с учетом тепловыделения в зависимости от своих геометрический размеров, тока питания катушек и температуры окружающего пространства. Результаты конечно-элементного анализа калибровочной системы для калибровки экспериментального образца планарного феррозондового преобразователя потвердели правильность аналитических расчетов калибровочной системы и возможность ее практической реализации. Для возбуждения и кондиционирования сигналов с феррозондового преобразователя и реализации предложенного алгоритма обработки выходного сигнала с феррозонда на основе синхронного детектирования на опорный сигнал сложной формы разработано и изготовлено устройство для возбуждения и кондиционирования сигналов.

 

Публикации

1. Андрей Коломейцев, Иван Затонов, Павел Баранов The Fluxgate Magnetometer Simulation in Comsol Multiphysics MATEC Web of Conferences Proceedings, Volume 155, Article Number 01005 (год публикации - 2018).

2. Вероника Иванова, Ксения Мертинс, Мария Александрова, Павел Баранов Soft skills and Moodle MATEC Web of Conferences Proceedings, Volume 141, Article Number 01056 (год публикации - 2017).

3. Иван Затонов, Павел Баранов, Андрей Коломейцев Magnetic field computation and simulation of the coil systems using Comsol software MATEC Web of Conferences Proceedings, Volume 160, Article Number 01006 (год публикации - 2018).

4. Иван Затонов, Павел Баранов, Андрей Коломейцев The numerical simulation of the shielded Helmholtz coils system magnetic field MATEC Web of Conferences Proceedings, Volume 155, Article Number 01038 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Цели второго этапа проекта выполнены полностью в соответствии с поставленными задачами. По итогам выполнения второго этапа проекта получены следующие результаты: По итогам выполнения второго этапа проекта получены следующие результаты. Создано программное обеспечение на языке графического программирования LabVIEW для реализации разработанных на первом этапе алгоритмов обработки выходного сигнала с феррозондового преобразователя. Проведена верификация программного обеспечения (ПО) на основе типового феррозондового преобразователя, которая показала, что результаты измерений амплитуд второй, четвертой и шестой гармоник в выходном сигнале феррозондового преобразователя полученные с помощью разработанного ПО незначительно отличаются (менее 1 %) от измеренных значений, полученных аналоговым способом. При этом разработанный цифровой способ показал большее быстродействие при выделении постоянных составляющих в сигналах, полученных после синхронного детектирования. Разработанный алгоритм обработки выходного сигнала с феррозондового преобразователя и вариант его аппаратно-программной реализации защищены патентом РФ на изобретение. Получено положительное решение о выдачи патента. На основе созданной на первом этапе конечно-элементная модели планарного феррозондового преобразователя изготовлен экспериментальный образец планарного феррозондового преобразователя для работы в составе квантового компьютера в диапазоне сверхнизких температур. По технологии изготовления печатных плат на подложке из текстолита изготовлены 4 отдельные печатные платы. Две идентичные платы с обмотками возбуждения и две идентичные платы с измерительными обмотками. Платы последовательно наложены друг на друга, в центре размещен сердечник из ферромагнитного наноматериала. Соединение измерительных обмоток и обмоток возбуждения отдельных плат выполнены через переходные отверстия и с помощью сверхпроводящего провода. Изготовлена калибровочная система для калибровки экспериментального образца планарного феррозондового преобразователя в условиях магнитного вакуума и сверхпроводимости и проведены ее исследовательские испытания. Испытания показали высокую однородность магнитного поля, создаваемого в трехмерном пространстве, максимальная неоднородность магнитного поля внутри калибровочной системы не превышает по оси x 0,19 %, по оси y 0,14 % по оси z 0,14 %. Проведены исследовательские испытания созданного планарного феррозондового преобразователя, оценены его пригодность для работы в системе активного магнитного вакуума квантового компьютера и потенциальные метрологические характеристики. Исследовательские испытания показали, что феррозондовый преобразователь пригоден для измерения магнитной индукции до 45 мкТл, феррозондовый преобразователь сохраняет линейность при измерении магнитной индукции в диапазоне от 0,1 нТл до 45 мкТл. Усреднённый коэффициент преобразования по второй гармонике составляет 54 мкВ/нТл, усреднённый коэффициент преобразования по четвертой гармонике составляет 27 мкВ/нТл, усреднённый коэффициент преобразования по шестой гармонике составляет 9 мкВ/нТл. Таким образом наблюдается линейная зависимость изменения выходного напряжения на измерительной обмотке преобразователя не только по второй гармонике, но также по четвертой и шестой, что подтверждает предложенный и реализованный способ повышения чувствительности феррозондового преобразования. Однако при измерении значения магнитной индукции 0,1 нТл, четвертую и шестую гармоники измерить было невозможно вследствие высокого уровня шума феррозондового преобразования, а время измерения второй гармоники составило 1200 с. Таким образом из экспериментальных исследований созданного планарного феррозондового преобразователя и проведённой оценки его потенциальных метрологических характеристик следует, что феррозондовый преобразователь пригоден для работы в системе активного магнитного вакуума квантового компьютера. При этом метрологические характеристики феррозондового преобразователя возможно улучшить при дальнейших исследованиях. Для этого необходимо дальнейшее уменьшение ширины печатных проводников, образующих обмотки возбуждения и измерительную обмотку преобразователя с увеличением их плотности размещения на печатной плате. Следовательно, увеличится индукция и частота возбуждения при не изменой амплитуде тока возбуждения. Отработка технологии резки и травления ферромагнитного сердечника для уменьшения шумов преобразователя и изготовление трех идентичных преобразователей для создания трехмерного магнитометра.

 

Публикации

1. П.Ф. Баранов, В.Н. Бориков, В.С. Иванова, Бьен Буй Дык, С. Учайкин, Ченг-Яанг Лиу Lock-in amplifier with a high common-mode rejection ratio in the range of 0.02 to 100 kHz ACTA IMEKO, Vol 8, No 1, p.103-110 (год публикации - 2019).

2. П.Ф. Баранов, И.А. Затонов, А.А. Коломейцев Цифровой феррозондовый магнитометр Федеральный институт промышленной собственности (ФИПС), RU2686519C1 (год публикации - 2018).

3. Павел Баранов, Андрей Коломейцев, Иван Затонов Fluxgate sensor modeling IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 516, Номер статьи 012032 (год публикации - 2019).

4. Павел Баранов, Виталия Баранова, Андрей Коломейцев, Иван Затонов Drive signal waveform for a fluxgate Journal of Physics: Conference Series, Volume 1065, Issue 5, Номер статьи 052020 (год публикации - 2018).


Возможность практического использования результатов
Переход к передовым цифровым технологиям и создание систем планирования и прогнозирования, машинного обучения, проверки работоспособности готовых программных продуктов требует создания универсального квантового компьютера. Решением задачи построения квантового компьютера, включающего в себя процессор, управление процессором, систему охлаждения, фильтрацию, экранирование и создание магнитного вакуума, защиту от внешних воздействий, разработку программного обеспечения, занимается всего несколько организаций в мире. Результаты проекта могут быть использованы для создания систем магнитного вакуума квантового компьютера. Так созданная калибровочная система может использоваться для активной компенсации магнитного поля, а значение остаточного магнитного поля может измеряться изготовленным феррозондовым преобразователем, расположенными в непосредственной близости от экранируемого объекта. Другим направлением использования научных результатов проекта является создание высокочувствительных приборов для медицины и биомагнитных исследований на основе феррозондовых магнитометров. Практическое применение таких приборов в магнитокардиографии, магнитоэнцефалографии, контроле транспорта лекарств на магнитных наночастицах, может вывести на новый уровень качество диагностики сердечно-сосудистых, неврологических и онкологических заболеваний. Данное направление исследований соответствует направлению 3 Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (Переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов).