Il nuovo bolometro potrebbe portare a migliori tecnologie quantistiche criogeniche – Physics World

Ricercatori finlandesi hanno creato un nuovo tipo di bolometro che copre un'ampia gamma di frequenze delle microonde. Il lavoro si basa su precedenti ricerche del team e la nuova tecnica potrebbe potenzialmente caratterizzare le sorgenti di rumore di fondo e quindi contribuire a migliorare gli ambienti criogenici necessari per le tecnologie quantistiche.

Un bolometro è uno strumento che misura il calore radiante. Gli strumenti esistono da 140 anni e sono dispositivi concettualmente semplici. Usano un elemento che assorbe la radiazione in una regione specifica dello spettro elettromagnetico. Ciò provoca il riscaldamento del dispositivo, con conseguente modifica del parametro che può essere misurata.

I bolometri hanno trovato applicazioni che vanno dalla fisica delle particelle all'astronomia e ai controlli di sicurezza. Nel 2019 Mikko Möttönen dell'Università di Aalto in Finlandia e colleghi hanno sviluppato un nuovo bolometro ultra-piccolo ea bassissimo rumore comprendente un risonatore a microonde costituito da una serie di sezioni superconduttrici unite da un normale nanofilo di oro-palladio. Hanno scoperto che la frequenza del risonatore diminuiva quando il bolometro veniva riscaldato.

Misurare i qubit

Nel 2020, lo stesso gruppo scambiato il normale metallo con il grafene, che ha una capacità termica molto inferiore e quindi dovrebbe misurare le variazioni di temperatura 100 volte più velocemente. Il risultato potrebbe avere vantaggi rispetto alle attuali tecnologie utilizzate per misurare gli stati dei singoli bit quantici superconduttori (qubit).

I qubit superconduttori, tuttavia, sono notoriamente soggetti al rumore classico dei fotoni termici e nel nuovo lavoro Möttönen e colleghi, insieme ai ricercatori della società di tecnologia quantistica Bluefors, ha deciso di affrontare questo problema. Il bolometro di grafene si concentra sul rilevamento di un singolo qubit e sulla misurazione del livello di potenza relativo il più rapidamente possibile per determinarne lo stato. In quest'ultimo lavoro, tuttavia, i ricercatori stavano cercando il rumore da tutte le fonti, quindi avevano bisogno di un assorbitore a banda larga. Avevano anche bisogno di misurare la potenza assoluta, che richiede la calibrazione del bolometro.

Una delle applicazioni che il team ha dimostrato nei loro esperimenti è stata la misurazione della quantità di perdita di microonde e rumore nei cavi che vanno dai componenti a temperatura ambiente ai componenti a bassa temperatura. In precedenza, i ricercatori lo avevano fatto amplificando il segnale a bassa temperatura prima di confrontarlo con un segnale di riferimento a temperatura ambiente.

Molto dispendioso in termini di tempo

"Queste linee sono state in genere calibrate facendo scorrere un segnale verso il basso, facendolo risalire e quindi misurando ciò che accade", spiega Möttönen, "ma poi sono un po' insicuro se il mio segnale è stato perso durante la discesa o la salita, quindi ho dover calibrare molte volte... e riscaldare il frigorifero... e cambiare i collegamenti... e rifarlo - richiede molto tempo."

Invece, quindi, i ricercatori hanno integrato un minuscolo riscaldatore elettrico a corrente continua nell'assorbitore termico del bolometro, consentendo loro di calibrare la potenza assorbita dall'ambiente circostante rispetto a un alimentatore che potevano controllare.

"Vedi cosa vedrà il qubit", dice Möttönen. Il riscaldamento su scala di femtowatt utilizzato per la calibrazione, che viene disattivato durante il funzionamento del dispositivo quantistico, non dovrebbe avere alcun effetto significativo sul sistema. I ricercatori hanno evitato il grafene, tornando a un design superconduttore-metallo normale-superconduttore per le giunzioni a causa della maggiore facilità di produzione e della migliore durata del prodotto finito: “Questi dispositivi oro-palladio rimarranno quasi invariati sullo scaffale per un decennio, e vuoi che i tuoi strumenti di caratterizzazione rimangano invariati nel tempo", afferma Möttönen.

Il bolometro basato su grafene funziona a velocità ultraveloci

I ricercatori stanno ora sviluppando la tecnologia per un filtraggio spettrale più dettagliato del rumore. "Il segnale che entra nella tua unità di elaborazione quantistica deve essere fortemente attenuato, e se l'attenuatore si surriscalda, va male... Vorremmo vedere qual è la temperatura di quella linea a frequenze diverse per ottenere lo spettro di potenza", dice Möttönen . Ciò potrebbe aiutare a decidere quali frequenze è meglio scegliere o aiutare a ottimizzare le apparecchiature per il calcolo quantistico.

"È un lavoro impressionante", afferma il tecnologo quantistico Martin Weides dell'Università di Glasgow. “Si aggiunge a una serie di misurazioni esistenti sul trasferimento di energia in ambienti criogenici richiesti per le tecnologie quantistiche. Ti consente di misurare dalla corrente continua fino alle frequenze delle microonde, ti consente di confrontare entrambe e la misurazione stessa è semplice... Se stai costruendo un computer quantistico, stai costruendo un criostato e vuoi caratterizzare tutti i tuoi componenti in modo affidabile, probabilmente vorresti usare qualcosa di simile.

La ricerca è pubblicata in Revisione di strumenti scientifici.    

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