Nyt detektorgennembrud flytter grænserne for kvanteberegning

Fysikere ved Aalto Universitet og VTT Teknisk Forskningscenter i Finland har udviklet en ny detektor til måling af energikvanter med hidtil uset opløsning. Denne opdagelse kan hjælpe med at bringe kvanteberegning ud af laboratoriet og ind i den virkelige verden. Resultaterne er offentliggjort i dag i Natur .

Den type detektor holdet arbejder på kaldes et bolometer, som måler energien af ​​indkommende stråling ved at måle hvor meget det varmer detektoren op. Professor Mikko Möttönens Quantum Computing and Devices-gruppe hos Aalto har udviklet deres ekspertise inden for bolometre til kvanteberegning i løbet af det sidste årti, og har nu udviklet en enhed, der kan matche de nyeste detektorer, der bruges i kvantecomputere.

"Det er utroligt, hvordan vi har været i stand til at forbedre specifikationerne for vores bolometer år efter år, og nu begiver vi os ud på en spændende rejse ind i en verden af ​​kvanteudstyr, " siger Mötönen.

At måle energien af ​​qubits er kernen i, hvordan kvantecomputere fungerer. De fleste kvantecomputere måler i øjeblikket en qubits energitilstand ved at måle spændingen induceret af qubitten. Imidlertid, der er tre problemer med spændingsmålinger:for det første, måling af spændingen kræver omfattende forstærkningskredsløb, hvilket kan begrænse skalerbarheden af ​​kvantecomputeren; for det andet, dette kredsløb bruger meget strøm; og for det tredje, spændingsmålingerne bærer kvantestøj, som introducerer fejl i qubit-udlæsningen. Kvantecomputerforskere håber, at ved at bruge bolometre til at måle qubit-energi, de kan overvinde alle disse komplikationer, og nu har professor Möttönens team udviklet en, der er hurtig nok og følsom nok til jobbet.

"Bolometre er nu på vej ind i kvanteteknologiens felt, og måske deres første anvendelse kunne være at udlæse kvanteinformationen fra qubits. Bolometerets hastighed og nøjagtighed synes nu at være den rigtige for det, " siger professor Mötönen.

Holdet havde tidligere produceret et bolometer lavet af en guld-palladium-legering med uovertrufne lave støjniveauer i sine målinger, men det var stadig for langsomt at måle qubits i kvantecomputere. Gennembruddet i dette nye arbejde blev opnået ved at skifte fra at lave bolometeret af guld-palladium-legeringer til at lave dem af grafen. At gøre dette, de samarbejdede med professor Pertti Hakonens NANO-gruppe – også ved Aalto Universitet – som har ekspertise i at fremstille grafen-baserede enheder. Grafen har en meget lav varmekapacitet, hvilket betyder, at det er muligt at opdage meget små ændringer i dens energi hurtigt. Det er denne hastighed til at detektere energiforskellene, der gør den perfekt til et bolometer med applikationer til måling af qubits og andre eksperimentelle kvantesystemer. Ved at skifte til grafen, forskerne har produceret et bolometer, der kan foretage målinger på et godt stykke under et mikrosekund, lige så hurtigt som den teknologi, der i øjeblikket bruges til at måle qubits.

"At skifte til grafen øgede detektorhastigheden med 100 gange, mens støjniveauet forblev det samme. Efter disse første resultater, der er stadig meget optimering, vi kan gøre for at gøre enheden endnu bedre, siger professor Hakonen.

Nu hvor de nye bolometre kan konkurrere, når det kommer til hastighed, håbet er at udnytte de andre fordele bolometre har inden for kvanteteknologi. Mens de bolometre, der er rapporteret i det aktuelle arbejde, yder på niveau med de nuværende state-of-the-art spændingsmålinger, fremtidige bolometre har potentialet til at overgå dem. Nuværende teknologi er begrænset af Heisenbergs usikkerhedsprincip:Spændingsmålinger vil altid have kvantestøj, men det gør bolometre ikke. Denne højere teoretiske nøjagtighed, kombineret med det lavere energibehov og mindre størrelse - grafenflagen kunne passe komfortabelt ind i en enkelt bakterie - betyder det, at bolometre er et spændende nyt enhedskoncept til kvanteberegning.

De næste trin for deres forskning er at løse de mindste energipakker, der nogensinde er observeret ved hjælp af bolometre i realtid og at bruge bolometeret til at måle mikrobølgefotoners kvanteegenskaber, som ikke kun har spændende applikationer inden for kvanteteknologier som computer og kommunikation, men også i grundlæggende forståelse af kvantefysik.

Mange af forskerne involveret i forskerne arbejder også på IQM, et spin-out af Aalto University, der udvikler teknologi til kvantecomputere. "IQM leder konstant efter nye måder at forbedre sin kvantecomputerteknologi på, og dette nye bolometer passer bestemt, " forklarer Dr. Kuan Yen Tan, Medstifter af IQM, som også var involveret i forskningen.