Team er det første nogensinde til at måle qubits med ultrafølsomme termiske detektorer, der omgår Heisenbergs usikkerhedsprincip

At jagte stadigt højere qubit-tal i kvantecomputere på kort sigt kræver konstant nye tekniske bedrifter.

Blandt de besværlige forhindringer i dette opskaleringsløb er at forfine, hvordan qubits måles. Enheder kaldet parametriske forstærkere bruges traditionelt til at udføre disse målinger. Men som navnet antyder, forstærker enheden svage signaler opsamlet fra qubits for at udføre udlæsningen, hvilket forårsager uønsket støj og kan føre til dekohærens af qubits, hvis det ikke er beskyttet af yderligere store komponenter. Endnu vigtigere er det, at den omfangsrige størrelse af forstærkningskæden bliver teknisk udfordrende at omgås, efterhånden som antallet af qubit stiger i køleskabe med begrænset størrelse.

Se Aalto Universitetets forskningsgruppe Quantum Computing and Devices (QCD). De har en stor erfaring med at vise, hvordan termiske bolometre kan bruges som ultrafølsomme detektorer, og de har nu demonstreret i en Nature Electronics papir, som bolometermålinger kan være nøjagtige nok til enkelt-shot qubit-aflæsning.

En ny metode til måling

Til mange fysikeres ærgrelse bestemmer Heisenberg-usikkerhedsprincippet, at man ikke samtidigt kan kende et signals position og momentum, eller spænding og strøm, med nøjagtighed. Så det går med qubit-målinger udført med parametriske spændings-strømforstærkere.

Men bolometrisk energisansing er en fundamentalt anderledes form for måling - tjener som et middel til at omgå Heisenbergs berygtede regel. Da et bolometer måler effekt eller fotontal, er det ikke bundet til at tilføje kvantestøj, der stammer fra Heisenberg-usikkerhedsprincippet på den måde, som parametriske forstærkere er.

I modsætning til forstærkere registrerer bolometre meget subtilt mikrobølgefotoner udsendt fra qubit via en minimalt invasiv detektionsgrænseflade. Denne formfaktor er omkring 100 gange mindre end dens forstærkermodstykke, hvilket gør den ekstremt attraktiv som måleenhed.

"Når man tænker på en kvante-suverist fremtid, er det let at forestille sig, at høje qubit-tal i tusindvis eller endda millioner kan være almindelige. En omhyggelig evaluering af fodaftrykket af hver komponent er absolut nødvendig for denne massive opskalering. Vi har vist i Nature Electronics papir, at vores nanobolometre seriøst kunne overvejes som et alternativ til konventionelle forstærkere," siger Aalto Universitetsprofessor Mikko Möttönen, der leder QCD-forskningsgruppen.

"I vores allerførste eksperimenter fandt vi disse bolometre nøjagtige nok til enkelt-shot-aflæsning, fri for tilføjet kvantestøj, og de bruger 10.000 gange mindre strøm end de typiske forstærkere - alt sammen i et lille bolometer, hvoraf den temperaturfølsomme del kan passe ind i en enkelt bakterie," fortsætter prof. Möttönen.

Single-shot fidelity er en vigtig metrisk fysikere bruger til at bestemme, hvor nøjagtigt en enhed kan detektere en qubits tilstand i blot én måling i modsætning til et gennemsnit af flere målinger. I tilfælde af QCD-gruppens eksperimenter var de i stand til at opnå en enkelt-skuds-fidelity på 61,8% med en udlæsningsvarighed på omkring 14 mikrosekunder. Når der korrigeres for qubit'ens energiafslapningstid, springer trofastheden op til 92,7 %.

"Med mindre ændringer kunne vi forvente at se bolometre nærme sig den ønskede 99,9% single-shot fidelity på 200 nanosekunder. For eksempel kan vi bytte bolometermaterialet fra metal til grafen, som har en lavere varmekapacitet og kan registrere meget små ændringer i sin energi hurtigt Og ved at fjerne andre unødvendige komponenter mellem bolometeret og selve chippen, kan vi ikke kun lave endnu større forbedringer af udlæsningsnøjagtigheden, men vi kan opnå en mindre og enklere måleenhed, der gør opskalering til højere qubit. tæller mere gennemførligt," siger András Gunyhó, den første forfatter på papiret og en doktorgradsforsker i QCD-gruppen.

Forud for at demonstrere bolometres høje enkeltskudsudlæsningsnøjagtighed i deres seneste papir, viste QCD-forskningsgruppen først, at bolometre kan bruges til ultrafølsomme mikrobølgemålinger i realtid i 2019. De udgav derefter i 2020 en artikel i Naturen viser, hvordan bolometre lavet af grafen kan forkorte udlæsningstiderne til et godt stykke under et mikrosekund.

Arbejdet blev udført i Finlands Forskningsråd Centre of Excellence for Quantum Technology (QTF) ved hjælp af OtaNano-forskningsinfrastruktur i samarbejde med VTT Technical Research Center i Finland og IQM Quantum Computers.

Flere oplysninger: András M. Gunyhó, Single-Shot Readout of a Superconducting Qubit Using a Thermal Detector, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01147-7

Journaloplysninger: Naturelektronik , Natur

Leveret af Aalto University