Nyt termometer kan accelerere udviklingen af ​​kvantecomputere

Forskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Gøteborg, Sverige, har udviklet en ny type termometer, der enkelt og hurtigt kan måle temperaturer under kvanteberegninger med ekstrem høj nøjagtighed. Gennembruddet giver et benchmarkingværktøj til kvanteberegning af stor værdi - og åbner op for eksperimenter inden for kvantetermodynamikkens spændende felt.

Nøglekomponenter i kvantecomputere er koaksialkabler og bølgeledere - strukturer, der styrer bølgeformer og fungerer som den vitale forbindelse mellem kvanteprocessoren og den klassiske elektronik, der styrer den. Mikrobølgeimpulser bevæger sig langs bølgelederne til kvanteprocessoren, og køles ned til ekstremt lave temperaturer undervejs. Bølgelederen dæmper og filtrerer også impulserne, gør det muligt for den ekstremt følsomme kvantecomputer at arbejde med stabile kvantetilstande.

For at maksimere kontrollen over denne mekanisme, forskerne skal være sikre på, at disse bølgeledere ikke bærer støj på grund af termisk bevægelse af elektroner oven på de impulser, de sender. Med andre ord, de skal måle temperaturen af ​​de elektromagnetiske felter i den kolde ende af mikrobølgelederne, det punkt, hvor de styrende impulser leveres til computerens qubits. At arbejde ved den lavest mulige temperatur minimerer risikoen for at indføre fejl i qubits.

Indtil nu, forskere har kun været i stand til at måle denne temperatur indirekte, med forholdsvis stor forsinkelse. Nu, med Chalmersforskernes nye termometer, meget lave temperaturer kan måles direkte ved den modtagende ende af bølgelederen, præcist og med ekstrem høj tidsopløsning.

"Vores termometer er et superledende kredsløb, direkte forbundet med enden af ​​den bølgeleder, der måles. Det er relativt enkelt - og sandsynligvis verdens hurtigste og mest følsomme termometer til netop dette formål på millikelvin-skalaen, " siger Simone Gasparinetti, adjunkt ved Quantum Technology Laboratory, Chalmers Tekniske Universitet.

Vigtigt til måling af kvantecomputerens ydeevne

Forskerne ved Wallenberg Center for Kvanteteknologi, WACQT, har som mål at bygge en kvantecomputer baseret på superledende kredsløb med mindst 100 velfungerende qubits, der udfører korrekte beregninger inden 2030. Det kræver en processorarbejdstemperatur tæt på det absolutte nulpunkt, ideelt ned til 10 millikelvin. Det nye termometer giver forskerne et vigtigt værktøj til at måle, hvor gode deres systemer er, og hvilke mangler der er – et nødvendigt skridt for at kunne forfine teknologien og nå deres mål.

"En bestemt temperatur svarer til et givet antal termiske fotoner, og det tal falder eksponentielt med temperaturen. Hvis det lykkes os at sænke temperaturen i den ende, hvor bølgelederen møder qubit, til 10 millikelvin, risikoen for fejl i vores qubits reduceres drastisk, siger Per Delsing, Professor ved Institut for Mikroteknologi og Nanovidenskab, Chalmers Tekniske Universitet, og leder af WACQT.

Nøjagtig temperaturmåling er også nødvendig for leverandører, der skal kunne garantere kvaliteten af ​​deres komponenter, for eksempel, kabler, der bruges til at håndtere signaler ned til kvantetilstande.

Nye muligheder inden for kvantetermodynamik

Kvantemekaniske fænomener som superposition, sammenfiltring og dekohærens betyder en revolution ikke kun for fremtidig databehandling, men potentielt også inden for termodynamik. Det kan godt være, at de termodynamiske love på en eller anden måde ændrer sig, når man arbejder nede på nanoskalaen på en måde, som en dag kunne udnyttes til at producere mere kraftfulde motorer, hurtigere opladede batterier, og mere.

"I 15 til 20 år, folk har studeret, hvordan termodynamikkens love kan modificeres af kvantefænomener, men søgen efter en ægte kvantefordel inden for termodynamik er stadig åben, " siger Simone Gasparinetti, som for nylig startede sin egen forskergruppe og planlægger at bidrage til denne søgning med en ny række eksperimenter.

Det nye termometer kan, for eksempel, måle spredningen af ​​termiske mikrobølger fra et kredsløb, der fungerer som en kvantevarmemotor eller køleskab.

"Standardtermometre var grundlæggende for at udvikle klassisk termodynamik. Vi håber, at i fremtiden, vores termometer vil blive betragtet som afgørende for udvikling af kvantetermodynamik, " siger Marco Scigliuzzo, ph.d.-studerende ved Institut for Mikroteknologi og Nanovidenskab, Chalmers Tekniske Universitet.