Νέο βολόμετρο θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερες κρυογονικές κβαντικές τεχνολογίες - Physics World

Ένας νέος τύπος βολόμετρου που καλύπτει ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων μικροκυμάτων δημιούργησαν ερευνητές στη Φινλανδία. Η εργασία βασίζεται σε προηγούμενες έρευνες της ομάδας και η νέα τεχνική θα μπορούσε ενδεχομένως να χαρακτηρίσει πηγές θορύβου περιβάλλοντος και ως εκ τούτου να βοηθήσει στη βελτίωση των κρυογονικών περιβαλλόντων που είναι απαραίτητα για τις κβαντικές τεχνολογίες.

Το βολόμετρο είναι ένα όργανο που μετρά την ακτινοβολούμενη θερμότητα. Τα όργανα υπάρχουν εδώ και 140 χρόνια και είναι εννοιολογικά απλές συσκευές. Χρησιμοποιούν ένα στοιχείο που απορροφά την ακτινοβολία σε μια συγκεκριμένη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Αυτό προκαλεί τη θέρμανση της συσκευής, με αποτέλεσμα μια αλλαγή παραμέτρου που μπορεί να μετρηθεί.

Τα βολόμετρα έχουν βρει εφαρμογές που κυμαίνονται από τη σωματιδιακή φυσική έως την αστρονομία και τον έλεγχο ασφαλείας. Το 2019 Mikko Möttönen του Πανεπιστημίου Aalto στη Φινλανδία και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν ένα νέο εξαιρετικά μικρό, εξαιρετικά χαμηλού θορύβου βολόμετρο που περιλαμβάνει έναν συντονιστή μικροκυμάτων που αποτελείται από μια σειρά υπεραγώγιμων τμημάτων ενωμένα με ένα κανονικό νανοσύρμα χρυσού-παλλαδίου. Βρήκαν ότι η συχνότητα του συντονιστή έπεσε όταν το βολόμετρο θερμάνθηκε.

Μέτρηση qubits

Το 2020 η ίδια ομάδα αντάλλαξε το κανονικό μέταλλο με γραφένιο, το οποίο έχει πολύ χαμηλότερη θερμική ικανότητα και επομένως θα πρέπει να μετράει τις αλλαγές θερμοκρασίας 100 φορές πιο γρήγορα. Το αποτέλεσμα θα μπορούσε να έχει πλεονεκτήματα σε σχέση με τις τρέχουσες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των καταστάσεων μεμονωμένων υπεραγώγιμων κβαντικών bit (qubits).

Τα υπεραγώγιμα qubits, ωστόσο, είναι εμφανώς επιρρεπή στον κλασικό θόρυβο των θερμικών φωτονίων, και στη νέα εργασία ο Möttönen και οι συνεργάτες του, μαζί με ερευνητές στην εταιρεία κβαντικής τεχνολογίας Bluefors, βάλθηκε να το αντιμετωπίσει. Το βολόμετρο γραφενίου εστιάζει στην ανίχνευση ενός μόνο qubit και στη μέτρηση του σχετικού επιπέδου ισχύος όσο το δυνατόν γρηγορότερα για να προσδιορίσει την κατάστασή του. Σε αυτήν την τελευταία εργασία, ωστόσο, οι ερευνητές έψαχναν για θόρυβο από όλες τις πηγές, επομένως χρειάζονταν έναν απορροφητή ευρυζωνικότητας. Χρειάστηκε επίσης να μετρήσουν την απόλυτη ισχύ, η οποία απαιτεί τη βαθμονόμηση του βολόμετρου.

Μία από τις εφαρμογές που έδειξε η ομάδα στα πειράματά της ήταν η μέτρηση της ποσότητας της απώλειας μικροκυμάτων και του θορύβου στα καλώδια που εκτελούνται από εξαρτήματα θερμοκρασίας δωματίου έως εξαρτήματα χαμηλής θερμοκρασίας. Παλαιότερα, οι ερευνητές το είχαν κάνει ενισχύοντας το σήμα χαμηλής θερμοκρασίας πριν το συγκρίνουν με ένα σήμα αναφοράς σε θερμοκρασία δωματίου.

Πολύ χρονοβόρα

«Αυτές οι γραμμές έχουν συνήθως βαθμονομηθεί με την εκτέλεση ενός σήματος προς τα κάτω, την επανάληψη του σήματος και στη συνέχεια τη μέτρηση του τι συμβαίνει», εξηγεί ο Möttönen, «αλλά τότε δεν είμαι σίγουρος αν το σήμα μου χάθηκε στο δρόμο προς τα κάτω ή προς τα πάνω. πρέπει να βαθμονομήσετε πολλές φορές…και να ζεστάνετε το ψυγείο…και να αλλάξετε τις συνδέσεις…και να το ξανακάνετε – είναι πολύ χρονοβόρο.”

Αντίθετα, λοιπόν, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν έναν μικροσκοπικό ηλεκτρικό θερμαντήρα συνεχούς ρεύματος στον θερμικό απορροφητή του βολόμετρου, επιτρέποντάς τους να βαθμονομήσουν την ισχύ που απορροφάται από το περιβάλλον σε σχέση με ένα τροφοδοτικό που μπορούσαν να ελέγξουν.

«Βλέπετε τι θα δει το qubit», λέει ο Möttönen. Η θέρμανση κλίμακας femtowatt που χρησιμοποιείται για τη βαθμονόμηση – η οποία απενεργοποιείται κατά τη λειτουργία της κβαντικής συσκευής – δεν πρέπει να έχει ουσιαστική επίδραση στο σύστημα. Οι ερευνητές απέφυγαν το γραφένιο, επιστρέφοντας σε σχέδιο υπεραγωγού-κανονικού μετάλλου-υπεραγωγού για τις διασταυρώσεις λόγω της μεγαλύτερης ευκολίας παραγωγής και της καλύτερης αντοχής του τελικού προϊόντος: «Αυτές οι συσκευές χρυσού-παλλάδιου θα παραμείνουν σχεδόν αμετάβλητες στο ράφι για μια δεκαετία. και θέλετε τα εργαλεία χαρακτηρισμού σας να παραμένουν αμετάβλητα με την πάροδο του χρόνου», λέει ο Möttönen.

Το βολόμετρο με βάση το γραφένιο λειτουργεί με εξαιρετικά γρήγορες ταχύτητες

Οι ερευνητές αναπτύσσουν τώρα την τεχνολογία για πιο λεπτομερές φασματικό φιλτράρισμα του θορύβου. "Το σήμα που έρχεται στη μονάδα κβαντικής επεξεργασίας σας πρέπει να εξασθενήσει πολύ, και αν ο εξασθενητής ζεσταθεί, αυτό είναι κακό...Θα θέλαμε να δούμε ποια είναι η θερμοκρασία αυτής της γραμμής σε διαφορετικές συχνότητες για να πάρουμε το φάσμα ισχύος", λέει ο Möttönen . Αυτό θα μπορούσε να σας βοηθήσει να αποφασίσετε ποιες συχνότητες είναι καλύτερες να επιλέξετε ή να βοηθήσετε στη βελτιστοποίηση του εξοπλισμού για κβαντικούς υπολογιστές.

«Είναι εντυπωσιακή δουλειά», λέει ο κβαντικός τεχνολόγος Martin Weides του Πανεπιστημίου της Γλασκώβης. «Προσθέτει σε μια σειρά από υπάρχουσες μετρήσεις σχετικά με τη μεταφορά ισχύος σε κρυογονικά περιβάλλοντα που απαιτούνται για τις κβαντικές τεχνολογίες. Σας επιτρέπει να μετράτε από dc μέχρι συχνότητες μικροκυμάτων, σας επιτρέπει να συγκρίνετε και τα δύο, και η ίδια η μέτρηση είναι απλή… Αν κατασκευάζετε έναν κβαντικό υπολογιστή, φτιάχνετε έναν κρυοστάτη και θέλετε να χαρακτηρίσετε όλα τα εξαρτήματά σας αξιόπιστα, πιθανότατα θα θέλατε να χρησιμοποιήσετε κάτι τέτοιο."

Η έρευνα δημοσιεύεται στο Επισκόπηση επιστημονικών οργάνων.    

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Αυτοκίνητο / EVs, Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• BlockOffsets. Εκσυγχρονισμός της περιβαλλοντικής αντιστάθμισης ιδιοκτησίας. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/new-bolometer-could-lead-to-better-cryogenic-quantum-technologies/