Un nouveau bolomètre pourrait conduire à de meilleures technologies quantiques cryogéniques – Physics World

Un nouveau type de bolomètre couvrant une large gamme de fréquences micro-ondes a été créé par des chercheurs finlandais. Les travaux s'appuient sur des recherches antérieures de l'équipe et la nouvelle technique pourrait potentiellement caractériser les sources de bruit de fond et ainsi contribuer à améliorer les environnements cryogéniques nécessaires aux technologies quantiques.

Un bolomètre est un instrument qui mesure la chaleur rayonnante. Les instruments existent depuis 140 ans et sont des appareils conceptuellement simples. Ils utilisent un élément qui absorbe le rayonnement dans une région spécifique du spectre électromagnétique. Cela provoque un échauffement de l'appareil, ce qui entraîne un changement de paramètre qui peut être mesuré.

Les bolomètres ont trouvé des applications allant de la physique des particules à l'astronomie et au contrôle de sécurité. En 2019 Mikko Mottönen de l'Université Aalto en Finlande et ses collègues ont développé un nouveau bolomètre ultra-petit et ultra-faible bruit comprenant un résonateur micro-ondes constitué d'une série de sections supraconductrices reliées par un nanofil normal d'or-palladium. Ils ont découvert que la fréquence du résonateur diminuait lorsque le bolomètre était chauffé.

Mesurer les qubits

En 2020, le même groupe troqué le métal normal pour le graphène, qui a une capacité thermique beaucoup plus faible et devrait donc mesurer les changements de température 100 fois plus rapidement. Le résultat pourrait présenter des avantages par rapport aux technologies actuelles utilisées pour mesurer les états de bits quantiques supraconducteurs individuels (qubits).

Les qubits supraconducteurs, cependant, sont notoirement sujets au bruit classique des photons thermiques, et dans le nouveau travail Möttönen et ses collègues, ainsi que des chercheurs de la société de technologie quantique Bleufors, a entrepris de s'attaquer à ce problème. Le bolomètre de graphène se concentre sur la détection d'un seul qubit et sur la mesure du niveau de puissance relative le plus rapidement possible pour déterminer son état. Dans ce dernier travail, cependant, les chercheurs recherchaient le bruit de toutes les sources, ils avaient donc besoin d'un absorbeur à large bande. Ils devaient également mesurer la puissance absolue, ce qui nécessite l'étalonnage du bolomètre.

L'une des applications que l'équipe a démontrée dans ses expériences était la mesure de la quantité de perte de micro-ondes et de bruit dans les câbles allant des composants à température ambiante aux composants à basse température. Auparavant, les chercheurs l'ont fait en amplifiant le signal à basse température avant de le comparer à un signal de référence à température ambiante.

Très chronophage

"Ces lignes ont généralement été calibrées en faisant descendre un signal, en le faisant remonter, puis en mesurant ce qui se passe", explique Möttönen, "mais je ne sais pas trop si mon signal a été perdu en descendant ou en montant, alors je il faut calibrer plusieurs fois… et réchauffer le réfrigérateur… et changer les connexions… et recommencer – cela prend beaucoup de temps.

Au lieu de cela, les chercheurs ont donc intégré un minuscule radiateur électrique à courant continu dans l'absorbeur thermique du bolomètre, leur permettant de calibrer la puissance absorbée de l'environnement par rapport à une alimentation électrique qu'ils pouvaient contrôler.

"Vous voyez ce que le qubit verra", dit Möttönen. Le chauffage à l'échelle du femtowatt utilisé pour l'étalonnage - qui est désactivé pendant le fonctionnement de l'appareil quantique - ne devrait avoir aucun effet significatif sur le système. Les chercheurs ont évité le graphène, revenant à une conception supraconducteur-métal normal-supraconducteur pour les jonctions en raison de la plus grande facilité de production et de la meilleure durabilité du produit fini : « Ces dispositifs or-palladium resteront presque inchangés sur les étagères pendant une décennie, et vous voulez que vos outils de caractérisation restent inchangés au fil du temps », explique Möttönen.

Le bolomètre à base de graphène fonctionne à des vitesses ultrarapides

Les chercheurs développent actuellement la technologie pour un filtrage spectral plus détaillé du bruit. "Le signal qui entre dans votre unité de traitement quantique doit être fortement atténué, et si l'atténuateur chauffe, c'est mauvais... Nous aimerions voir quelle est la température de cette ligne à différentes fréquences pour obtenir le spectre de puissance", explique Möttönen. . Cela pourrait aider à décider quelles fréquences sont les meilleures à choisir ou aider à optimiser l'équipement pour l'informatique quantique.

"C'est un travail impressionnant", déclare un technologue quantique Martin Weides de l'Université de Glasgow. « Il s'ajoute à un certain nombre de mesures existantes sur le transfert de puissance dans les environnements cryogéniques nécessaires aux technologies quantiques. Il vous permet de mesurer du courant continu jusqu'aux fréquences micro-ondes, il vous permet de comparer les deux, et la mesure elle-même est simple... Si vous construisez un ordinateur quantique, vous construisez un cryostat, et vous voulez caractériser tous vos composants fiable, vous aimeriez probablement utiliser quelque chose comme ça.

La recherche est publiée dans Examen des instruments scientifiques.    

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