Nieuwe bolometer kan leiden tot betere cryogene kwantumtechnologieën - Physics World

Nieuwe bolometer kan leiden tot betere cryogene kwantumtechnologieën - Physics World

Tijdstempel: 4 juli 2023 10:26 uur

Nieuwe bolometer
Cool idee: afbeeldingen van de bolometer op een siliciumchip. (Met dank aan: Jean-Philippe Girard/Aalto Universiteit)

Onderzoekers in Finland hebben een nieuw type bolometer ontwikkeld dat een breed scala aan microgolffrequenties bestrijkt. Het werk bouwt voort op eerder onderzoek van het team en de nieuwe techniek zou mogelijk bronnen van achtergrondgeluid kunnen karakteriseren en daardoor kunnen bijdragen aan het verbeteren van de cryogene omgevingen die nodig zijn voor kwantumtechnologieën.

Een bolometer is een instrument dat stralingswarmte meet. Instrumenten bestaan ​​al 140 jaar en zijn conceptueel eenvoudige apparaten. Ze gebruiken een element dat straling absorbeert in een specifiek gebied van het elektromagnetische spectrum. Hierdoor warmt het apparaat op, wat resulteert in een parameterwijziging die kan worden gemeten.

Bolometers hebben toepassingen gevonden variërend van deeltjesfysica tot astronomie en veiligheidsonderzoek. In 2019 Mikko Möttonen van de Aalto Universiteit in Finland en collega's ontwikkelden een nieuwe ultrakleine bolometer met ultralage ruis, bestaande uit een microgolfresonator gemaakt van een reeks supergeleidende secties verbonden door een normale goud-palladium nanodraad. Ze ontdekten dat de resonatorfrequentie daalde als de bolometer werd verwarmd.

Qubits meten

In 2020 dezelfde groep verruilde het normale metaal voor grafeen, dat een veel lagere thermische capaciteit heeft en dus 100 keer sneller temperatuurveranderingen zou moeten meten. Het resultaat zou voordelen kunnen hebben ten opzichte van de huidige technologieën die worden gebruikt om de toestanden van individuele supergeleidende kwantumbits (qubits) te meten.

Supergeleidende qubits zijn echter berucht om de klassieke ruis van thermische fotonen, en in het nieuwe werk van Möttönen en collega's, samen met onderzoekers van het kwantumtechnologiebedrijf Blauwfors, om dit aan te pakken. De grafeenbolometer richt zich op het detecteren van een enkele qubit en op het zo snel mogelijk meten van het relatieve vermogensniveau om de toestand ervan te bepalen. In dit laatste werk waren de onderzoekers echter op zoek naar ruis uit alle bronnen, dus hadden ze een breedbandabsorber nodig. Ze moesten ook het absolute vermogen meten, waarvoor de kalibratie van de bolometer nodig was.

Een van de toepassingen die het team in hun experimenten demonstreerde, was het meten van de hoeveelheid microgolfverlies en ruis in de kabels die van componenten op kamertemperatuur naar componenten op lage temperatuur liepen. Eerder hebben onderzoekers dit gedaan door het signaal bij lage temperatuur te versterken voordat het werd vergeleken met een referentiesignaal bij kamertemperatuur.

Erg tijdrovend

“Deze lijnen zijn doorgaans gekalibreerd door een signaal naar beneden te laten gaan, het vervolgens weer omhoog te laten gaan en dan te meten wat er gebeurt”, legt Möttönen uit, “maar ik ben er een beetje onzeker over of mijn signaal verloren is gegaan op de weg naar beneden of naar boven, dus ik Ik moet vaak kalibreren... en de koelkast opwarmen... en de aansluitingen veranderen... en het opnieuw doen - het is erg tijdrovend.'

In plaats daarvan integreerden de onderzoekers daarom een ​​kleine elektrische gelijkstroomverwarmer in de thermische absorber van de bolometer, waardoor ze het door de omgeving geabsorbeerde vermogen konden kalibreren met een stroomvoorziening die ze konden controleren.

“Je ziet wat de qubit zal zien”, zegt Möttönen. De verwarming op femtowatt-schaal die wordt gebruikt voor de kalibratie – die wordt uitgeschakeld tijdens de werking van het kwantumapparaat – zou geen betekenisvol effect op het systeem moeten hebben. De onderzoekers schuwden grafeen en keerden terug naar een supergeleider-normaal metaal-supergeleider-ontwerp voor de kruispunten vanwege het grotere productiegemak en de betere duurzaamheid van het eindproduct: “Deze goud-palladium-apparaten zullen de komende tien jaar vrijwel onveranderd op de plank blijven liggen. en je wilt dat je karakteriseringstools in de loop van de tijd onveranderd blijven”, zegt Möttönen.

De onderzoekers ontwikkelen nu de technologie voor een meer gedetailleerde spectrale filtering van ruis. “Het signaal dat je kwantumverwerkingseenheid binnenkomt, moet zwaar verzwakt worden, en als de verzwakker heet wordt, is dat slecht. We zouden graag willen zien wat de temperatuur van die lijn is bij verschillende frequenties om het vermogensspectrum te krijgen”, zegt Möttönen. . Dit zou kunnen helpen bij het beslissen welke frequenties het beste zijn om te kiezen of bij het optimaliseren van apparatuur voor quantum computing.

“Het is indrukwekkend werk”, zegt kwantumtechnoloog Martin Weides van de Universiteit van Glasgow. “Het draagt ​​bij aan een aantal bestaande metingen van de energieoverdracht in cryogene omgevingen die nodig zijn voor kwantumtechnologieën. Hiermee kun je meten van gelijkstroom- tot microgolffrequenties, je kunt beide vergelijken, en de meting zelf is eenvoudig... Als je een kwantumcomputer bouwt, bouw je een cryostaat en wil je al je componenten karakteriseren betrouwbaar, je zou waarschijnlijk zoiets als dit willen gebruiken.

Het onderzoek is gepubliceerd in Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten.    

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld