Chapter Development of Josephson voltage standards

Neurology & clinical neurophysiolog

Development of Josephson voltage standards

Neurology & clinical neurophysiolog

Non-Conventional PJVS Exploiting First and Second Steps to Reduce Junctions and Bias Lines

Quantum digital-to-analog converters (DACs) based on programmable Josephson array [Programmable Josephson Voltage Standard (PJVS)] represent the most widely used quantum standard in ac voltage calibrations. The extension of PJVS frequency above the kilohertz range appears to be arduous; however, some enhancements are still practicable. In this work, we demonstrate the possibility to advantageously operate a conventional binary-divided PJVS array with a reduced number of bias lines. This feature is achieved by exploiting both the first and the second Shapiro steps along with nonconventional DAC codings. Two newly devised bias techniques are described in detail and preliminary experimental tests on waveform synthesis have been carried out and are presented here

Josephson Wellenform Charakterisierung eines Sigma-Delta Analog/Digital Wandlers zur Datenerfassung in der Metrologie

A sampling system based on a 24-bits sigma-delta analog-to-digital converter (ADC) was built and characterized in order to study the feasibility of using this type of ADCs in electrical metrology. The non-linearities of the sampling system have been studied and a model for postcorrecting the measured data points established. The Hammerstein model, consisting of a static non-linear part and a linear system, was employed. A 4-th order polynomial accounts for the non-linearities of the analog electronics and the input stages of the sigma delta ADC. The linear part corresponds to the transfer function of the decimation filters internal to the ADC. The parameters for the model of the system were determined using noiseless and drift-free waveforms from a Josephson waveform synthesizer. The performance of the sampling system was verified experimentally by comparing the measured root-mean-square (rms) value of sinusoidal signals with the results from an established method. The results obtained using the post-corrected samples from the sampling system at 125 Hz agreed to within 2 μV/V with the de facto standard in metrology laboratories, which uses a high accuracy digital voltmeter. Precision measurements are limited by the decimation filters inside the ADC and can only be carried out for frequencies below 1/24-th of the equivalent sampling rate. The characterization results have shown that the non-linearities have been compensated to 5 μV/V or better and the effective resolution exceeds 20 bits, over an input range of 1 V at the equivalent sampling rate of 32 kHz. The experimental validation has proved that it is possible to measure rms values of sinusoidal signals with 1 V peak amplitudes for frequencies up to 1.3 kHz with uncertainty of 8 μV/V, significantly improving the uncertainty achievable with de facto standard which reaches 8 μV/V at 500 Hz.Ein Abtastsystem basierend auf einem 24-Bit Sigma-Delta Analog-DigitalWandler (ADC) wurde gebaut und charakterisiert, um die Möglichkeiten eines solchen ADC-Typs für Anwendungen in der elektrischen Metrologie zu untersuchen. Die Nichtlinearitäten des Abtastsystems wurden bestimmt und ein Modell für die nachträgliche Korrektur der erfassten Abtastwerte entwickelt. Dafür wurde das Hammerstein Modell verwendet, das zur Charakterisierung eines statisch, nichtlinearen Blocks gefolgt von einem linearen Teil geeignet ist. Ein Polynom vierter Ordnung wurde zur Beschreibung der statischen Nichtlinearität in der analogen Elektronik und der Eingangsstufe des Sigma-Delta ADC verwendet. Der lineare Teil des Modells umfasst die Transferfunktion des Dezimationsfilters im ADC Chip. Die Parameter für das Modell wurden mithilfe rausch- und driftloser Signale von einem Josephson Wellenform Synthesizer ermittelt. Die Leistungsfähigkeit des Abtastsystems wurde experimentell durch Effektivwertmessungen (rms) von sinusförmigen Signalen mit einem etablierten Messverfahren überprüft. Als Ergebnis wurde eine Übereinstimmung innerhalb von 2 μV/V bei 125 Hz mit dem de facto Normal der metrologischen Kalibrierlabore gefunden, das auf einem hochpräzisen Digitalvoltmeter basiert. Präzisionsmessungen haben ergeben, dass die Dezimationsfilter im ADC die maximale Frequenz auf 1/24stel der äquivalenten Abtastrate begrenzen, wenn die bestmöglichen Unsicherheiten erreicht werden sollen. Die Ergebnisse der Systemcharakterisierung haben bestätigt, dass Nichtlinearitäten auf 5 μV/V oder besser kompensiert werden. Die effektive Auflösung überschreitet 20 Bit über einen Eingangsbereich von 1 V und mit einer äquivalenten Abtastrate von 32 kHz. Die experimentelle Überprüfung hat gezeigt, dass es mit dem neuen System möglich ist, den Effektivwert sinusförmiger Signale und 1 V Amplitude für Frequenzen bis 1,3 kHz mit einer Messunsicherheit von 8 μV/V zu bestimmen, und somit die erreichbare Messunsicherheit des de facto Normals, das 8 μV/V bei 500 Hz erreicht, deutlich zu verbessern

Programmierbare Josephson-Arrays für Impedanzmessungen

An innovative way of networking two programmable Josephson arrays generating synchronous waveforms for impedance ratio measurements, as the first of its kind, is presented. This pioneering approach of the Josephson Impedance Bridges is far more flexible than conventional bridges at the same level of measurement uncertainty. Results prove that aside from having the capability of measuring over a wider frequency range, the Josephson bridge permits measurements on two impedances with any value of phase angle between them. In the two-terminal-pair Josephson bridge setup, measurements are made for a 1:1 resistance ratio at the 10-k level in the frequency range between 25 Hz and 10 kHz. Uncertainties reach to levels of better than a few parts in 108 and results agree to the values measured from conventional impedance bridges. Two methods for four-terminal impedance measurements have been investigated, the potential comparison circuit and the coaxial setup. Both methods are capable of measuring from DC to 6 kHz with uncertainties to 10−8. The four-terminal-pair coaxial setup has potential to decrease the relative uncertainty down to 10−9 once systematic errors are analyzed and canceled. Thermal converter measurements have been made to investigate the effects of transients on stepwise approximated sinewaves. Rms measurements show that transients limit the uncertainty to about 10−6 at 1 kHz. A simple model with an equivalent time constant is presented to evaluate the influence of different parameters on the shape of the transients. It has been experimentally established, at the 10−8 level of uncertainty for the determination of impedance ratios, that the variations of the transients in stepwise approximated waveforms can be neglected when using the fundamental component of rectangular waveforms. Quantization at up to 10 kHz has been confirmed by varying the bias current of the Josephson arrays resulting in constant resistance ratios within the measurement resolution.Ein innovativer Weg, zwei programmierbare Josephson-Schaltungen für Impedanz-Verhältnismessungen zu verknüpfen, wird erstmals in dieser Arbeit präsentiert. Dieser neuartige Ansatz einer Josephson-Impedanzmessbrücke ist flexibler als konventionelle Impedanzmessbrücken bei gleicher Messunsicherheit. Es wird gezeigt, dass neben der Möglichkeit, über einen wesentlich größeren Frequenzbereich zu messen, die Josephson-Impedanzmessbrücke auch Messungen sehr unterschiedlicher Impedanzverhältnisse und beliebiger Phasenwinkel erlaubt. In einer Zwei-Tor-Anordnung der Josephson-Impedanzmessbrücke wurden Messungen für ein 1:1 Widerstandsverhältnis bei 10 k im Frequenzbereich von 25 Hz bis 10 kHz durchgeführt. Die Ergebnisse stimmen mit denen einer konventionellen Messbrücke im Rahmen der Unsicherheit von wenigen 10−8 überein. Für eine Vier-Tor-Anordnung wurden zwei unterschiedliche Methoden untersucht, eine Spannungsverhältnisschaltung und eine koaxiale Vier-Tor-Anordnung. Letztere hat das Potential, Unsicherheiten von 10−9 zu erreichen, sobald systematische Fehler eliminiert sind. Um Effekte der Transienten in stufenförmig approximierten Sinuswellen zu untersuchen, wurden Messungen an Thermokonvertern durchgeführt. Diese Effektivmessungen zeigen, dass Transienten die relative Messunsicherheiten auf etwa 10−6 bei einer Frequenz von 1 kHz beschränken. Es wird ein einfaches Modell vorgestellt, das die Form der Transienten in Abhängigkeit der wesentlichen Parameter beschreibt. Experimentell konnte bei Impedanzverhältnismessungen mit einer relativen Messunsicherheit von 10−8 nachgewiesen werden, dass die Variation der Transienten in stufenförmig approximierten Wellenformen vernachlässigbar ist, wenn die fundamentale Komponente eines Rechtecksignals verwendet wird. Quantisierte Plateaus wurden bis zu Frequenzen von 10 kHz gefunden, bei denen die Variation des angelegten Stroms durch die Josephson-Schaltungen keine Veränderung des Impedanzverhältnisses zur Folge hatte

ICARUS-Q: A scalable RFSoC-based control system for superconducting quantum computers

We present a control and measurement setup for superconducting qubits based on Xilinx 16-channel radio frequency system on chip (RFSoC) device. The proposed setup consists of four parts: multiple RFSoC boards, a setup to synchronise every digital to analog converter (DAC), and analog to digital converter (ADC) channel across multiple boards, a low-noise direct current (DC) supply for tuning the qubit frequency and cloud access for remotely performing experiments. We also design the setup to be free of physical mixers. The RFSoC boards directly generate microwave pulses using sixteen DAC channels up to the third Nyquist zone which are directly sampled by its eight ADC channels between the fifth and the ninth zonesComment: Main text: 15 pages, 23 figures Appendix: 2 pages, 2 figure

Investigating the feasibility of using nanobridge weak links as the active Josephson element in Rapid Single Flux quantum circuitry

Josephson junctions are used in present day voltage standards. To extend their use to AC voltage standards a high bandwidth, low-noise detector is required. A candidate component for this detector is a superconducting comparator based on Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) circuits. The work presented here is a study to determine if nanobridge weak links can be used as the active Josephson element in these circuits. In order to achieve this an understanding of the nanobridge properties and in particular their critical currents is fundamental. We present simulations of a simple comparator using the circuit simulation software JSIM in order to study the effect of varying nanobridge parameters such as width, length, and loop area. These geometrical variables have an affect on the critical currents and loop inductances which subsequently effect device performance. Particular emphasis is given to investigation of how these parameters affect a key figure of merit, the grey zone width