La física cuántica es la teoría que se ocupa de las propiedades cuantificadas como la energía y el momento angular de partículas pequeñas como electrones, átomos y moléculas.
Comprender estas propiedades es fundamental para diseñar y desarrollar computadoras cuánticas y otras aplicaciones, que difieren significativamente de los sistemas clásicos que se usan en la actualidad.
Idealmente, las computadoras cuánticas tienen el potencial de ofrecer velocidades y potencia de procesamiento más altas que las poderosas computadoras clásicas de hoy en día al resolver problemas complejos en la ciencia y otras aplicaciones críticas.
Aunque varias empresas e instituciones tecnológicas han desarrollado prototipos de sistemas cuánticos que superan a los modelos clásicos, requieren más investigación para producir productos prácticos y comercialmente viables.
Dicho esto, se está llevando a cabo una amplia gama de experimentos cuánticos y el generador de forma de onda arbitraria (AWG) está desempeñando un papel importante.
Bien hechos, los productos basados en la tecnología cuántica, como computadoras, sensores y otros, pueden ayudar a abordar una amplia gama de desafíos tecnológicos y resolver problemas industriales y científicos complejos.
Bits cuánticos
Un bit cuántico o qubit es el equivalente mecánico del bit clásico (dígito binario) en los sistemas informáticos estándar. Sin embargo, a diferencia de las computadoras convencionales donde el bit solo puede ser un uno o un cero lógico, el qubit tiene tres estados posibles, el uno y el cero habituales, y un estado de superposición adicional en el que el uno y el cero están activos simultáneamente.
Además, los bits cuánticos tienen varias propiedades únicas y superiores que les permiten brindar más oportunidades y la capacidad de abordar problemas complejos mejor que las computadoras clásicas. En particular, los conceptos de superposición, entrelazamiento e interferencia proporcionan una mejora adicional que aumenta significativamente la potencia informática y la precisión de los sistemas.
En el estado de superposición, el qubit realiza dos cálculos simultáneamente, lo que aumenta la velocidad de procesamiento en dos. Además, el entrelazamiento cuántico permite que las computadoras usen docenas de qubits vinculados para resolver problemas complejos que las computadoras clásicas no pueden. El poder computacional y la velocidad de los procesadores cuánticos aumentan exponencialmente con la cantidad de qubits, a diferencia de las computadoras clásicas donde el cambio es lineal. Como tales, las computadoras cuánticas pueden proporcionar mayores poderes de procesamiento que superan con creces incluso a las computadoras más poderosas de la actualidad.
Teóricamente, la física cuántica y la computación brindan una atractiva variedad de aplicaciones potenciales que resolverían los desafíos que los sistemas actuales son incapaces de abordar. Sin embargo, aprovechar este poder y realizar operaciones lógicas requiere desarrollar tecnologías para controlar y manipular los estados del qubit.
A medida que avanza la computación cuántica, cada vez más empresas realizan una amplia gama de estudios y experimentos a medida que desarrollan soluciones innovadoras.
Teorías y experimentos cuánticos.
La teoría de la mecánica cuántica tiene aspectos conceptuales y matemáticos y ha sido fundamental para explicar y predecir una amplia gama de propiedades atómicas y subatómicas. En particular, el estado de una partícula cuántica es indeterminado y su posición exacta depende del momento de la medición. Generalmente, el estado de superposición puede tomar cualquier valor de fase posible entre 0 y 360 grados.
En general, una comprensión profunda, los experimentos y la prueba de conceptos son fundamentales para desarrollar productos basados en cuántica. Para estudiar las propiedades de estos objetos, que son invisibles a simple vista, los investigadores a menudo confían en instrumentos de prueba de precisión , como generadores de formas de onda arbitrarias, transmisores, receptores, sistemas de procesamiento avanzados y más.
Por lo general, validar la mayoría de las teorías de la física implica realizar varios experimentos para averiguar cómo se comportan los componentes o materiales en determinadas condiciones naturales y artificiales. Sin embargo, es posible que las condiciones naturales no siempre estén disponibles durante el tiempo de la prueba. Afortunadamente, los investigadores pueden usar generadores de señales para imitar las condiciones esperadas o naturales.
A medida que las empresas compiten para liderar la revolución cuántica, requieren equipos confiables de prueba, medición y análisis. Los resultados precisos son primordiales para garantizar que los investigadores proporcionen productos confiables.
En la práctica, el control de bits cuánticos o la realización de mediciones de qubits requieren señales especialmente definidas, como formas de onda arbitrarias. Para ello, los proveedores de tecnología han creado tecnologías de apoyo que permiten a los investigadores detectar y manipular o controlar objetos cuánticos.
Para simular señales conocidas, complejas y desconocidas, los investigadores confían en generadores de ondas arbitrarias. Una vez que el equipo genera la forma de onda requerida, la alimentan al prototipo para su análisis o manipulación. Posteriormente, se analiza el efecto de dicha señal y se evalúa el resultado.
Generador onda arbitraria Proteus
Generador onda arbitraria Proteus
Papel de los generadores de forma de onda arbitraria en la física cuántica
Un generador de forma de onda arbitraria (AWG) es una fuente de señal que puede generar casi cualquier tipo de forma de onda en función de los puntos de onda definidos y las propiedades, como los niveles de voltaje deseados en momentos específicos. Una vez configurada, la salida seguirá los niveles de voltaje establecidos en momentos específicos y, por lo tanto, puede saltar de un punto deseado al otro. Aunque son similares a los generadores de funciones estándar, los AWG ofrecen un mayor nivel de control y flexibilidad en la definición y generación de formas de onda.
Para la mayoría de las aplicaciones, los generadores de funciones son adecuados, ya que pueden proporcionar las formas de onda estándar, como sinusoidal, cuadrada y triangular. Sin embargo, las aplicaciones científicas, de comunicación, médicas, aeroespaciales, astronómicas y otras aplicaciones críticas requieren formas de onda complejas más allá de lo que proporciona un generador funcional.
Y los generadores de forma de onda arbitraria son los más adecuados para estas aplicaciones, ya que pueden producir una variedad de tipos de señales y, por lo tanto, permiten una amplia gama de pruebas.
Generalmente, el AWG difiere del generador de señal funcional en que permite a los usuarios definir el tipo de forma de onda de salida. Las formas de onda típicas pueden tomar diferentes formas. Algunos son repetitivos, mientras que otros son disparos únicos y se producen mediante señales de activación internas o externas. La capacidad de controlar el instrumento para proporcionar casi cualquier forma de onda compleja lo convierte en un equipo de prueba ideal.
Además, sus tasas de muestreo, alta calidad de señal de salida, anchos de banda analógicos y otras características los hacen adecuados para aplicaciones de RF, donde pueden reemplazar algunos de los generadores de RF tradicionales. Los generadores de funciones, por ejemplo, tienen limitaciones, como que solo pueden producir unos pocos tipos de formas de onda, un rango de frecuencia estrecho, admiten solo unas pocas salidas, etc.
La mayoría de las veces, los AWG solo generarán formas de onda arbitrarias. Sin embargo, algunos modelos combinan las opciones de generador arbitrario y funcional, por lo que también pueden producir formas de onda sinusoidal, cuadrada, triangular y otras formas de onda estándar.
En un experimento típico, los investigadores suelen inyectar la señal AWG en el sistema o dispositivo bajo prueba (DUT). Luego analizan la forma de onda a medida que pasa a través del DUT, y esto les permite probar si su teoría funciona en la práctica.
Además de la generación, los instrumentos avanzados de medición cuántica, como los transceptores de forma de onda arbitraria, proporcionan varias funciones integradas que reducen la cantidad de integraciones y componentes externos. En consecuencia, esto reduce una amplia gama de problemas de interconexión e integración, como ruido, acoplamiento, incompatibilidades y otros desafíos que afectan la precisión de los resultados.
Elegir un generador de forma de onda arbitraria
Idealmente, el AWG proporciona las señales necesarias, por complejas que sean, para probar y validar nuevos productos y sistemas en desarrollo. Hoy en día, existe una amplia gama de productos AWG, y estos pueden diferir en términos de precisión, resolución, ancho de banda, puertos de salida y más.
Si bien el diseño de AWG difiere en arquitectura y rendimiento, hay algunas características básicas que debe tener un buen producto. Elegir el instrumento adecuado es fundamental para garantizar la precisión y el éxito de las pruebas.
Los componentes básicos de un AWG incluyen un generador de reloj, un convertidor de digital a analógico (DAC), un filtro de paso bajo y el amplificador de salida. También tiene un procesador, una memoria, un secuenciador y un sistema de disparo externo.
En un proceso de generación típico, una muestra de forma de onda de la memoria fluye hacia el DAC y luego hacia un filtro. Posteriormente, la señal acondicionada se amplifica y está disponible en la salida como una forma de onda analógica.
Dicho esto, hay algunas características o capacidades esenciales que se deben tener en cuenta al buscar un generador de forma de onda arbitraria .
incluyen, entre otros, la frecuencia de muestreo, la capacidad de memoria de forma de onda, la resolución, la cantidad de canales y el factor de forma. Además, las opciones de retroalimentación, salida e integración de bucle cerrado juegan un papel fundamental en las mediciones cuánticas.
Las mediciones cuánticas típicas o las pruebas de validación incluirían un generador de forma de onda, el DUT y el equipo de análisis. La integración de dichos equipos es propensa a problemas de acoplamiento e interconexiones que pueden reducir la precisión de las mediciones.
Hasta hace poco, los investigadores no tenían otra opción que combinar al menos dos o tres equipos de prueba para realizar una medición cuántica. Sin embargo, con el tiempo, algunas empresas de instrumentación construyen equipos que combinan múltiples funciones en una sola unidad. En consecuencia, esto elimina la necesidad de utilizar varios equipos de prueba y, por lo tanto, reduce los errores y otros desafíos.
Algunos instrumentos, como los transceptores de forma de onda arbitraria (AWT), vienen con un AWG para la generación de señales, así como para los sistemas de adquisición y procesamiento. Para gestionar las funcionalidades de generación, transmisión y recepción, los AWT cuentan con completos sistemas de control incorporados, digitalizadores, convertidores ascendentes y descendentes, mezcladores y circuitos de retroalimentación.
Hoy en día, algunos instrumentos avanzados como el combina un generador de RF AWG y funciones de transceptor. Dicho equipo puede transmitir, recibir y procesar señales arbitrarias, eliminando así la necesidad de instrumentos adicionales.
Además de ahorrar espacio, la unidad individual es más fácil y rápida de configurar, más eficiente y rentable. Además, la eliminación de las interconexiones reduce los errores y otros problemas que afectarían la precisión.
Conclusión
La computación cuántica, la detección y otras aplicaciones basadas en la física cuántica tienen el potencial de brindar soluciones a una amplia gama de desafíos. Teóricamente, las computadoras cuánticas deberían ser más poderosas que las supercomputadoras basadas en transistores. Sin embargo, los científicos e investigadores todavía tienen que desarrollar computadoras comerciales que superen a los sistemas existentes.
En este sentido, las empresas de tecnología, las instituciones de investigación y los gobiernos dedican hoy en día una cantidad sustancial de sus esfuerzos y recursos a los estudios de física cuántica.
Sin embargo, las teorías y prácticas cuánticas son áreas complejas que requieren pruebas, experimentos y análisis avanzados para validar los productos en desarrollo. La naturaleza misma de las señales y formas de onda complejas requiere herramientas de instrumentación especiales con características más allá de los generadores funcionales habituales y los accesorios asociados.
En particular, los investigadores necesitan las herramientas adecuadas para realizar una amplia gama de experimentos cuánticos con todos los tipos de señales posibles. Finalmente, necesitan otras tecnologías y medios de apoyo para controlar y analizar los bits cuánticos.
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Ver nuevo Proteus https://instrumentosdemedida.es/wp-content/uploads/2022/01/Proteus_RF-AWG_Datasheets-comlo.pdf
