Neues Bolometer könnte zu besseren kryogenen Quantentechnologien führen – Physics World

Forscher in Finnland haben einen neuen Bolometertyp entwickelt, der einen breiten Bereich von Mikrowellenfrequenzen abdeckt. Die Arbeit baut auf früheren Forschungsarbeiten des Teams auf und die neue Technik könnte möglicherweise Hintergrundrauschquellen charakterisieren und dadurch dazu beitragen, die für Quantentechnologien erforderlichen kryogenen Umgebungen zu verbessern.

Ein Bolometer ist ein Instrument, das Strahlungswärme misst. Instrumente gibt es seit 140 Jahren und sie sind vom Konzept her einfache Geräte. Sie verwenden ein Element, das Strahlung in einem bestimmten Bereich des elektromagnetischen Spektrums absorbiert. Dadurch erwärmt sich das Gerät und es kommt zu einer messbaren Parameteränderung.

Bolometer finden Anwendung, die von der Teilchenphysik über die Astronomie bis hin zur Sicherheitsüberprüfung reicht. Im Jahr 2019 Mikko Möttönen von der Aalto-Universität in Finnland und Kollegen entwickelten ein neues ultrakleines, extrem rauscharmes Bolometer, das einen Mikrowellenresonator umfasst, der aus einer Reihe supraleitender Abschnitte besteht, die durch einen normalen Gold-Palladium-Nanodraht verbunden sind. Sie fanden heraus, dass die Resonatorfrequenz abnahm, wenn das Bolometer erhitzt wurde.

Qubits messen

Im Jahr 2020 die gleiche Gruppe tauschte das normale Metall gegen Graphen aus, das eine viel geringere Wärmekapazität hat und daher Temperaturänderungen 100-mal schneller messen soll. Das Ergebnis könnte Vorteile gegenüber aktuellen Technologien zur Messung der Zustände einzelner supraleitender Quantenbits (Qubits) haben.

Supraleitende Qubits sind jedoch bekanntermaßen anfällig für das klassische Rauschen thermischer Photonen, und in der neuen Arbeit zeigen Möttönen und Kollegen gemeinsam mit Forschern des Quantentechnologieunternehmens Bluefors, machte sich daran, dieses Problem anzugehen. Der Schwerpunkt des Graphen-Bolometers liegt auf der Erfassung eines einzelnen Qubits und der schnellstmöglichen Messung des relativen Leistungsniveaus, um seinen Zustand zu bestimmen. In dieser neuesten Arbeit waren die Forscher jedoch auf der Suche nach Lärm aus allen Quellen und benötigten daher einen breitbandigen Absorber. Sie mussten auch die absolute Leistung messen, was die Kalibrierung des Bolometers erforderte.

Eine der Anwendungen, die das Team in seinen Experimenten demonstrierte, war die Messung des Mikrowellenverlusts und des Rauschens in den Kabeln, die von Komponenten mit Raumtemperatur zu Komponenten mit niedriger Temperatur verlaufen. Zuvor haben Forscher dazu das Tieftemperatursignal verstärkt, bevor sie es mit einem Referenzsignal bei Raumtemperatur verglichen haben.

Sehr Zeit aufwendig

„Diese Leitungen wurden normalerweise kalibriert, indem man ein Signal nach unten leitete, es wieder nach oben leitete und dann misst, was passiert“, erklärt Möttönen, „aber dann bin ich mir ein wenig unsicher, ob mein Signal auf dem Weg nach unten oder nach oben verloren gegangen ist, also habe ich Ich muss viele Male kalibrieren … und den Kühlschrank aufwärmen … und die Anschlüsse ändern … und es noch einmal machen – das ist sehr zeitaufwändig.“

Stattdessen integrierten die Forscher eine winzige elektrische Gleichstromheizung in den Wärmeabsorber des Bolometers und konnten so die aus der Umgebung aufgenommene Energie mit einer von ihnen steuerbaren Stromversorgung kalibrieren.

„Man sieht, was das Qubit sehen wird“, sagt Möttönen. Die zur Kalibrierung verwendete Femtowatt-Heizung, die während des Betriebs des Quantengeräts abgeschaltet wird, sollte keine nennenswerten Auswirkungen auf das System haben. Die Forscher verzichteten auf Graphen und griffen für die Verbindungen auf ein Supraleiter-normales Metall-Supraleiter-Design zurück, da die Herstellung einfacher und das Endprodukt besser haltbar ist: „Diese Gold-Palladium-Geräte werden ein Jahrzehnt lang nahezu unverändert im Regal bleiben. Und Sie möchten, dass Ihre Charakterisierungswerkzeuge im Laufe der Zeit unverändert bleiben“, sagt Möttönen.

Auf Graphen basierendes Bolometer läuft mit ultraschnellen Geschwindigkeiten

Die Forscher entwickeln nun die Technologie für eine detailliertere spektrale Filterung des Rauschens. „Das Signal, das in Ihre Quantenverarbeitungseinheit gelangt, muss stark gedämpft werden, und wenn der Dämpfer heiß wird, ist das schlecht … Wir würden gerne sehen, wie hoch die Temperatur dieser Leitung bei verschiedenen Frequenzen ist, um das Leistungsspektrum zu erhalten“, sagt Möttönen . Dies könnte bei der Entscheidung darüber helfen, welche Frequenzen am besten zu wählen sind, oder dabei helfen, die Ausrüstung für Quantencomputing zu optimieren.

„Das ist eine beeindruckende Arbeit“, sagt der Quantentechnologe Martin Weides der Universität Glasgow. „Es ergänzt eine Reihe bestehender Messungen zur Energieübertragung in kryogenen Umgebungen, die für Quantentechnologien erforderlich sind. Sie können damit Messungen von Gleichstrom bis hin zu Mikrowellenfrequenzen durchführen, beides vergleichen und die Messung selbst ist unkompliziert. Wenn Sie einen Quantencomputer bauen, bauen Sie einen Kryostat und möchten alle Ihre Komponenten charakterisieren zuverlässig, wahrscheinlich würden Sie so etwas gerne verwenden.“

Die Forschung wird veröffentlicht in Überprüfung wissenschaftlicher Instrumente.    

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/new-bolometer-could-lead-to-better-cryogenic-quantum-technologies/