Nyt bolometer kan føre til bedre kryogene kvanteteknologier – Physics World

Nyt bolometer kan føre til bedre kryogene kvanteteknologier – Physics World

Tidsstempel: 4. juli 2023 kl. 10

Nyt bolometer
Fed idé: billeder af bolometeret på en siliciumchip. (Med høflighed: Jean-Philippe Girard/Aalto University)

En ny type bolometer, der dækker en bred vifte af mikrobølgefrekvenser, er blevet skabt af forskere i Finland. Arbejdet bygger på tidligere forskning fra holdet, og den nye teknik kan potentielt karakterisere baggrundsstøjkilder og derved bidrage til at forbedre de kryogene miljøer, der er nødvendige for kvanteteknologier.

Et bolometer er et instrument, der måler strålevarme. Instrumenter har eksisteret i 140 år og er konceptuelt simple enheder. De bruger et element, der absorberer stråling i et bestemt område af det elektromagnetiske spektrum. Dette får enheden til at varme op, hvilket resulterer i en parameterændring, der kan måles.

Bolometre har fundet anvendelser lige fra partikelfysik til astronomi og sikkerhedsscreening. I 2019 Mikko Mötönen fra Aalto University i Finland og kolleger udviklede et nyt ultralille bolometer med ultralavt støj, bestående af en mikrobølgeresonator lavet af en række superledende sektioner forbundet af en normal guld-palladium nanotråd. De fandt ud af, at resonatorfrekvensen faldt, når bolometeret blev opvarmet.

Måling af qubits

I 2020 samme gruppe byttede det normale metal ud med grafen, som har en meget lavere termisk kapacitet og dermed burde måle temperaturændringer 100 gange hurtigere. Resultatet kan have fordele i forhold til nuværende teknologier, der bruges til at måle tilstandene for individuelle superledende kvantebits (qubits).

Superledende qubits er dog notorisk tilbøjelige til den klassiske støj fra termiske fotoner, og i det nye værk Möttönen og kolleger, sammen med forskere ved kvanteteknologivirksomheden Bluefors, satte sig for at tackle dette. Grafenbolometeret fokuserer på at registrere en enkelt qubit og på at måle det relative effektniveau så hurtigt som muligt for at bestemme dets tilstand. I dette seneste arbejde ledte forskerne dog efter støj fra alle kilder, så de havde brug for en bredbåndsabsorber. De skulle også måle den absolutte effekt, hvilket kræver kalibrering af bolometeret.

En af de applikationer, som holdet demonstrerede i deres eksperimenter, var måling af mængden af ​​mikrobølgetab og støj i kablerne, der løber fra rumtemperaturkomponenter til lavtemperaturkomponenter. Tidligere har forskere gjort dette ved at forstærke lavtemperatursignalet, før de sammenligner det med et referencesignal ved stuetemperatur.

Meget tidskrævende

"Disse linjer er typisk blevet kalibreret ved at køre et signal ned, køre det op igen og derefter måle, hvad der sker," forklarer Möttönen, "men så er jeg lidt usikker på, om mit signal blev tabt på vej ned eller op, så jeg skal kalibrere mange gange...og varme køleskabet op...og skifte tilslutninger...og gør det igen – det er meget tidskrævende."

I stedet integrerede forskerne derfor en lillebitte elektrisk jævnstrømsvarmer i bolometerets termiske absorber, så de kunne kalibrere den absorberede energi fra omgivelserne mod en strømforsyning, som de kunne kontrollere.

"Du kan se, hvad qubit'en vil se," siger Möttönen. Femtowatt-skala-opvarmningen, der bruges til kalibrering - som er slukket under driften af ​​kvanteanordningen - burde ikke have nogen meningsfuld effekt på systemet. Forskerne undgik grafen og vendte tilbage til et superleder-normalt metal-superleder-design til krydsene på grund af den større lethed ved produktion og bedre holdbarhed af det færdige produkt: "Disse guld-palladium-enheder vil forblive næsten uændrede på hylden i et årti, og du vil have, at dine karakteriseringsværktøjer forbliver uændrede over tid,” siger Möttönen.

Forskerne udvikler nu teknologien til mere detaljeret spektralfiltrering af støj. "Det signal, der kommer ind i din kvantebehandlingsenhed, skal dæmpes kraftigt, og hvis dæmperen bliver varm, er det slemt... Vi vil gerne se, hvad temperaturen på den linje er ved forskellige frekvenser for at få effektspektret," siger Möttönen . Dette kan hjælpe med at beslutte, hvilke frekvenser der er bedst at vælge eller hjælpe med at optimere udstyr til kvanteberegning.

"Det er imponerende arbejde," siger kvanteteknolog Martin Weides fra University of Glasgow. "Det føjer sig til en række eksisterende målinger på overførsel af strøm i kryogene miljøer, der kræves til kvanteteknologier. Det giver dig mulighed for at måle fra jævnstrøm op til mikrobølgefrekvenser, det giver dig mulighed for at sammenligne begge, og selve målingen er ligetil...Hvis du bygger en kvantecomputer, bygger du en kryostat, og du vil karakterisere alle dine komponenter pålideligt, vil du sikkert gerne bruge sådan noget."

Forskningen er offentliggjort i Gennemgang af videnskabelige instrumenter.    

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden