Nytt bolometer kan føre til bedre kryogene kvanteteknologier – Physics World

En ny type bolometer som dekker et bredt spekter av mikrobølgefrekvenser er laget av forskere i Finland. Arbeidet bygger på tidligere forskning fra teamet, og den nye teknikken kan potensielt karakterisere bakgrunnsstøykilder og dermed bidra til å forbedre de kryogene miljøene som er nødvendige for kvanteteknologier.

Et bolometer er et instrument som måler strålevarme. Instrumenter har eksistert i 140 år og er konseptuelt enkle enheter. De bruker et element som absorberer stråling i et bestemt område av det elektromagnetiske spekteret. Dette får enheten til å varmes opp, noe som resulterer i en parameterendring som kan måles.

Bolometre har funnet bruksområder som spenner fra partikkelfysikk til astronomi og sikkerhetsscreening. I 2019 Mikko Mötönen fra Aalto-universitetet i Finland og kolleger utviklet en ny ultraliten bolometer med ultralav støy som består av en mikrobølgeresonator laget av en serie superledende seksjoner forbundet med en vanlig gull-palladium nanotråd. De fant ut at resonatorfrekvensen falt når bolometeret ble varmet opp.

Måling av qubits

I 2020 samme gruppe byttet ut det vanlige metallet med grafen, som har mye lavere termisk kapasitet og dermed bør måle temperaturendringer 100 ganger raskere. Resultatet kan ha fordeler i forhold til dagens teknologier som brukes til å måle tilstandene til individuelle superledende kvantebiter (qubits).

Superledende qubits er imidlertid notorisk utsatt for den klassiske støyen fra termiske fotoner, og i det nye verket Möttönen og kolleger, sammen med forskere ved kvanteteknologiselskapet Bluefors, satt ut for å takle dette. Grafenbolometeret fokuserer på å registrere en enkelt qubit, og på å måle det relative kraftnivået så raskt som mulig for å bestemme tilstanden. I dette siste arbeidet så imidlertid forskerne etter støy fra alle kilder, så de trengte en bredbåndsabsorber. De trengte også å måle den absolutte kraften, noe som krever kalibrering av bolometeret.

En av applikasjonene som teamet demonstrerte i sine eksperimenter var måling av mengden mikrobølgetap og støy i kablene som går fra romtemperaturkomponenter til lavtemperaturkomponenter. Tidligere har forskere gjort dette ved å forsterke lavtemperatursignalet før de sammenligner det med et referansesignal ved romtemperatur.

Veldig tidkrevende

"Disse linjene har vanligvis blitt kalibrert ved å kjøre et signal ned, kjøre det opp igjen og deretter måle hva som skjer," forklarer Möttönen, "men da er jeg litt usikker på om signalet mitt ble tapt på vei ned eller opp, så jeg må kalibrere mange ganger ... og varme opp kjøleskapet ... og endre tilkoblingene ... og gjøre det igjen - det er veldig tidkrevende."

I stedet integrerte derfor forskerne en liten elektrisk likestrømvarmer i den termiske absorberen til bolometeret, slik at de kunne kalibrere strømmen som ble absorbert fra omgivelsene mot en strømforsyning som de kunne kontrollere.

"Du ser hva qubiten vil se," sier Möttönen. Femtowatt-skala-oppvarmingen som brukes til kalibrering – som slås av under driften av kvanteenheten – skal ikke ha noen meningsfull effekt på systemet. Forskerne unngikk grafen, og gikk tilbake til en superleder-normal metall-superleder-design for kryssene på grunn av den større enkle produksjonen og bedre holdbarheten til det ferdige produktet: "Disse gull-palladium-enhetene vil forbli nesten uendret på hyllen i et tiår, og du vil at karakteriseringsverktøyene dine skal forbli uendret over tid, sier Möttönen.

Grafenbasert bolometer går i ultraraske hastigheter

Forskerne utvikler nå teknologien for mer detaljert spektralfiltrering av støy. "Signalet som kommer inn i kvanteprosesseringsenheten din må dempes kraftig, og hvis demperen blir varm, er det ille ... Vi vil gjerne se hva som er temperaturen på den linjen ved forskjellige frekvenser for å få effektspekteret," sier Möttönen . Dette kan bidra til å bestemme hvilke frekvenser som er best å velge eller bidra til å optimalisere utstyr for kvanteberegning.

"Det er imponerende arbeid," sier kvanteteknolog Martin Weides ved University of Glasgow. "Det legger til en rekke eksisterende målinger på overføring av kraft i kryogene miljøer som kreves for kvanteteknologier. Den lar deg måle fra likestrøm opp til mikrobølgefrekvenser, den lar deg sammenligne begge, og selve målingen er enkel...Hvis du bygger en kvantedatamaskin, bygger du en kryostat, og du vil karakterisere alle komponentene dine pålitelig, du vil sannsynligvis bruke noe slikt.»

Forskningen er publisert i Gjennomgang av vitenskapelige instrumenter.    

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/new-bolometer-could-lead-to-better-cryogenic-quantum-technologies/