Quant ràpit de fluix únic

En electrònica, un quant ràpit de fluix únic (RSFQ d'acort en el seu nom en anglés, Rapid Single Flux Quàntum) és un tipo d'impuls elèctric empleat en dispositius electrònics digitals que utilisen elements superconductores per a processar senyals digitals basant-se en l'efecte Josephson. En la llògica RSFQ, l'informació s'almagasena en forma de quants de fluix magnètic i es transferix en forma de polsos de voltage denominats quants de fluix únic (Single Flux Quàntum o SFQ pel seu nom en anglés), gestionats per mig de la seua pròpia llògica superconductora. Atres formes d'este tipo de llògiques són la llògica quàntica recíproca (RQL), o la ERSFQ (versió de la RSFQ energèticament eficient, que no utilisa resistències de polarisació). Les unions del tipo Josephson són els elements actius de l'electrònica RSFQ, de la mateixa manera que els transistors són els elements actius de l'electrònica semiconductora. Es tracta d'una tecnologia digital clàssica, i no implica computació quàntica.

Els sistemes RSFQ són molt diferent dels sistemes basats en la tecnologia de transistors basada en semicanductores utilisada en les computadores convencionals:

• Els dispositius superconductores requerixen temperatures criogèniques.
• Els polsos de voltage SFQ de duració de picosegundos produïts per mig del efecte Josephson s'utilisen per a codificar, processar i transportar informació digital en lloc dels nivells de voltage produïts pels transistors en l'electrònica de semiconductors.
• Els polsos de voltage SFQ viagen en llínea de transmissió superconductoras que tenen una dispersió molt menuda, i generalment insignificant, si cap component espectral del pols està per damunt de la freqüència de la brecha d'energia del superconductor.
• En el cas de polsos SFQ d'1ps, és possible cronometrar els circuits a freqüències de l'orde de 100GHz (un pols cada 10 picosegundos).

Un pols SFQ es produïx quan el fluix magnètic a través d'un bucle superconductor que conté una unió de Josephson canvia en un quant de fluix, Φ₀, com a resultat de la conmutación de l'unió. Els polsos SFQ tenen un àrea quantificada ʃV(t)dt = Φ₀ ≈ 2,07 Wb = 2,07 mV⋅ps = 2,07 mA⋅pH per la quantificació del fluix magnètic, una propietat fonamental dels superconductores. Depenent dels paràmetros de les unions de Josephson, els polsos poden ser tan estrets com d'1 ps, en una amplitut d'aproximadament 2 mV, o més amplis (per eixemple, d'entre 5 i 10 ps) en una amplitut correspondientemente menor. El valor típic de l'amplitut del pols és aproximadament 2I_cR_n, a on I_cR_n és el producte de la corrent crítica de l'unió, I_c i la resistència de amortiguación d'unió, R_n. Per a la tecnologia d'unió basada en Nb, I_cR_n és de l'orde d'1 mV.

Ventages

• Interoperable en circuits CMOS, microones i tecnologia infrarroja
• Freqüència de funcionament extremadament ràpida: des d'unes poques decenes de gigahercios fins a centenars de gigahercios
• Baix consum elèctric: aproximadament 100.000 voltes menor que el dels circuits de semiconductors, sense tindre en conte la refrigeració
• La tecnologia de fabricació de chips existent es pot adaptar per a fabricar circuits RSFQ
• Bona tolerància a les variacions de fabricació
• El circuit RSFQ és essencialment autocronométrico, lo que fa que els dissenys asíncronos siguen molt més pràctics.

Desventages

• Requerix refrigeració criogènica, lo que tradicionalment s'ha conseguit utilisant decorreguts criogènics com nitrogen líquit o heli líquit. Més recentment, els crioenfriadores de cicle tancat, per eixemple, els refrigeradores de tubo de pols, han guanyat una popularitat considerable, ya que eliminen els líquits criogènics que són costosos i requerixen recarrega periòdica. El refredat criogènic també és una ventaja, ya que reduïx el soroll de Johnson-Nyquist de l'ambient de treball.
• Els requisits de refrigeració es poden reduir per mig de l'us de superconductividad d'alta temperatura. No obstant, fins a la data solament s'han conseguit circuits RFSQ de molt baixa complexitat utilisant superconductores d'alta T_c. Es creu que les tecnologies digitals basades en SFQ es tornen poc pràctiques a temperatures superiors a 20 K – 25 K per l'aument exponencial de les taxes d'error de bits (conmutación d'unió induïda tèrmicament) causada per la disminució del paràmetro I_J/ k_BT en temperatura creixent T, a on I_J = I_cΦ₀/2π és l'energia de Josephson.
• Un dels inconvenients inicials era el malbarat de potència estàtica, que sol ser entre 10 i 100 voltes major que la potència dinàmica necessària per a realisar operacions llògiques. No obstant, el malbarat d'energia estàtica es va eliminar en la versió ERSFQ del sistema RSFQ per mig de l'us de inductores superconductores i unions de Josephson en lloc de resistències de polarisació, la font del malbarat d'energia estàtica.