Художественное изображение графенового болометра, управляемого электрическим полем. Предоставлено: Хейкка Валя, CC BY 4.0.
Новая статья, опубликованная в Nature, демонстрирует потенциал для графен болометры, которые меняют правила игры в квантовых технологиях.
Физики из Университета Аалто и Центра технических исследований Финляндии VTT разработали новый детектор для измерения квантов энергии с беспрецедентным разрешением. Это открытие может помочь принести квантовые вычисления из лаборатории в реальные приложения. Результаты опубликованы в журнале. Природа.
Тип детектора, над которым работает команда, называется болометром, который измеряет энергию входящего излучения, измеряя, насколько он нагревает детектор. Группа профессора Микко Мёттёнена по квантовым вычислениям и устройствам в Аалто в течение последнего десятилетия развивала свой опыт в области болометров для квантовых вычислений и теперь разработала устройство, которое может соответствовать современным детекторам, используемым в квантовых компьютерах.
«Удивительно, как нам удавалось год за годом улучшать характеристики нашего болометра, и теперь мы отправляемся в захватывающее путешествие в мир квантовых устройств», – говорит Мёттёнен.
Измерение энергии кубитов лежит в основе работы квантовых компьютеров. Большинство квантовых компьютеров в настоящее время измеряют энергетическое состояние кубита, измеряя напряжение, индуцированное кубитом. Однако при измерении напряжения возникают три проблемы: во-первых, для измерения напряжения требуется обширная схема усиления, которая может ограничивать масштабируемость квантового компьютера; во-вторых, эта схема потребляет много энергии; и, в-третьих, измерения напряжения содержат квантовый шум, который вносит ошибки в считывание кубита. Исследователи квантовых компьютеров надеются, что, используя болометры для измерения энергии кубита, они смогут преодолеть все эти сложности, и теперь команда профессора Мёттёнена разработала такой, который является достаточно быстрым и достаточно чувствительным для этой работы.
«Болометры сейчас входят в сферу квантовой технологии, и, возможно, их первым применением может стать считывание квантовой информации с кубитов. Скорость болометра и точность кажется, сейчас подходит для этого », – говорит профессор Мёттёнен.
Команда ранее изготовила болометр из золота и палладия. сплав с беспрецедентно низким уровнем шума в его измерениях, но он все еще был слишком медленным для измерения кубитов в квантовых компьютерах. Прорыв в этой новой работе был достигнут благодаря переходу от изготовления болометра из сплавов золота и палладия к изготовлению их из графена. Для этого они сотрудничали с группой NANO профессора Пертти Хаконена – также из Университета Аалто – у которых есть опыт в изготовлении устройств на основе графена. Графен имеет очень низкую теплоемкость, а это означает, что можно быстро обнаружить очень небольшие изменения его энергии. Именно такая скорость обнаружения разницы энергий делает его идеальным для болометра с приложениями для измерения кубитов и других экспериментальных квантовых систем. Перейдя на графен, исследователи создали болометр, который может производить измерения менее чем за микросекунду, так же быстро, как технология, используемая в настоящее время для измерения кубитов.
«Переход на графен увеличил скорость детектора в 100 раз, при этом уровень шума остался прежним. После этих первоначальных результатов нам предстоит еще много работы по оптимизации, чтобы сделать устройство еще лучше », – говорит профессор Хаконен.
Теперь, когда новые болометры могут составить конкуренцию, когда дело доходит до скорости, есть надежда использовать другие преимущества, которые болометры имеют в квантовой технологии. В то время как болометры, о которых сообщается в текущей работе, работают на одном уровне с современными измерениями напряжения, будущие болометры могут превзойти их. Современные технологии ограничены принципом неопределенности Гейзенберга: измерения напряжения всегда будут иметь квантовый шум, а болометры – нет. Эта более высокая теоретическая точность в сочетании с более низким энергопотреблением и меньшим размером – чешуйка графена может удобно поместиться внутри одной бактерии – означает, что болометры представляют собой захватывающую новую концепцию устройства для квантовых вычислений.
Следующим шагом в их исследованиях будет определение наименьших энергетических пакетов, когда-либо наблюдаемых с помощью болометров в режиме реального времени, и использование болометра для измерения квантовых свойств микроволновых фотонов, которые имеют не только захватывающие применения в квантовых технологиях, таких как вычисления и связь, но также и в фундаментальном понимании квантовой физики.
Многие из ученых, участвовавших в исследовании, также работают в IQM, отделении Университета Аалто, разрабатывающем технологии для квантовых компьютеров. «IQM постоянно ищет новые способы усовершенствования своих квантово-компьютерных технологий, и этот новый болометр, безусловно, отвечает всем требованиям», – объясняет доктор Куан Йен Тан, соучредитель IQM, который также принимал участие в исследовании.
Ссылка: «Болометр, работающий на пороге квантовой электродинамики цепей» Р. Коккониеми, Ж.-П. Жирар, Д. Хазра, А. Лайтинен, Я. Говениус, Р. Э. Лейк, И. Саллинен, В. Вестеринен, М. Партанен, Ю. Ю. Тан, К. В. Чан, К. Я. Тан, П. Хаконен и М. Мёттёнен, 30 сентября 2020 г., Природа.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2753-3
Сотрудничество в области исследований является частью Центра передового опыта в области квантовых технологий (QTF) и проекта разработки датчиков BOLOSE (программа RADDESS, 2018-2021), финансируемого Академией Финляндии.
