Novo bolômetro pode levar a melhores tecnologias quânticas criogênicas – Physics World

Um novo tipo de bolômetro que cobre uma ampla gama de frequências de micro-ondas foi criado por pesquisadores na Finlândia. O trabalho se baseia em pesquisas anteriores da equipe e a nova técnica pode potencialmente caracterizar fontes de ruído de fundo e, assim, ajudar a melhorar os ambientes criogênicos necessários para as tecnologias quânticas.

Um bolômetro é um instrumento que mede o calor radiante. Os instrumentos existem há 140 anos e são dispositivos conceitualmente simples. Eles usam um elemento que absorve radiação em uma região específica do espectro eletromagnético. Isso faz com que o dispositivo aqueça, resultando em uma alteração de parâmetro que pode ser medida.

Os bolômetros encontraram aplicações que vão desde física de partículas até astronomia e triagem de segurança. Em 2019 Mikko Möttönen da Universidade de Aalto, na Finlândia, e seus colegas desenvolveram um novo bolômetro ultrapequeno e de ruído ultrabaixo, composto por um ressonador de micro-ondas feito de uma série de seções supercondutoras unidas por um nanofio normal de ouro-paládio. Eles descobriram que a frequência do ressonador caía quando o bolômetro era aquecido.

Medindo qubits

Em 2020, o mesmo grupo trocou o metal normal por grafeno, que tem uma capacidade térmica muito menor e, portanto, deve medir mudanças de temperatura 100 vezes mais rápido. O resultado pode ter vantagens sobre as tecnologias atuais usadas para medir os estados de bits quânticos supercondutores individuais (qubits).

Os qubits supercondutores, no entanto, são notoriamente propensos ao ruído clássico dos fótons térmicos e, no novo trabalho, Möttönen e colegas, juntamente com pesquisadores da empresa de tecnologia quântica Bluefors, partiu para resolver isso. O bolômetro de grafeno se concentra na detecção de um único qubit e na medição do nível de potência relativo o mais rápido possível para determinar seu estado. Neste último trabalho, no entanto, os pesquisadores estavam procurando por ruído de todas as fontes, então eles precisavam de um absorvedor de banda larga. Eles também precisavam medir a potência absoluta, o que requer a calibração do bolômetro.

Uma das aplicações que a equipe demonstrou em seus experimentos foi a medição da quantidade de perda de micro-ondas e ruído nos cabos que vão de componentes de temperatura ambiente a componentes de baixa temperatura. Anteriormente, os pesquisadores faziam isso amplificando o sinal de baixa temperatura antes de compará-lo com um sinal de referência à temperatura ambiente.

Muito demorado

“Essas linhas normalmente são calibradas com um sinal descendo, voltando a subir e depois medindo o que acontece”, explica Möttönen, “mas fico um pouco inseguro se meu sinal foi perdido na descida ou na subida, então eu tem que calibrar muitas vezes…e esquentar a geladeira…e trocar as conexões…e fazer de novo – é muito demorado.”

Em vez disso, portanto, os pesquisadores integraram um minúsculo aquecedor elétrico de corrente contínua no absorvedor térmico do bolômetro, permitindo-lhes calibrar a energia absorvida do ambiente em relação a uma fonte de alimentação que eles podiam controlar.

“Você vê o que o qubit verá”, diz Möttönen. O aquecimento em escala de femtowatt usado para calibração – que é desligado durante a operação do dispositivo quântico – não deve ter efeito significativo no sistema. Os pesquisadores evitaram o grafeno, revertendo para um design supercondutor-metal-supercondutor normal para as junções por causa da maior facilidade de produção e melhor durabilidade do produto acabado: “Esses dispositivos de ouro-paládio permanecerão quase inalterados na prateleira por uma década, e você deseja que suas ferramentas de caracterização permaneçam inalteradas ao longo do tempo”, diz Möttönen.

Bolômetro baseado em grafeno funciona em velocidades ultrarrápidas

Os pesquisadores agora estão desenvolvendo a tecnologia para filtragem espectral mais detalhada do ruído. “O sinal que entra em sua unidade de processamento quântico precisa ser fortemente atenuado, e se o atenuador esquentar, isso é ruim… Gostaríamos de ver qual é a temperatura dessa linha em diferentes frequências para obter o espectro de potência”, diz Möttönen . Isso pode ajudar a decidir quais frequências são melhores para escolher ou ajudar a otimizar equipamentos para computação quântica.

“É um trabalho impressionante”, diz tecnólogo quântico Martin Weides da Universidade de Glasgow. “Isso se soma a uma série de medições existentes sobre a transferência de energia em ambientes criogênicos necessários para tecnologias quânticas. Ele permite que você meça de DC até frequências de micro-ondas, permite que você compare ambos, e a medição em si é direta... Se você está construindo um computador quântico, está construindo um criostato e deseja caracterizar todos os seus componentes de forma confiável, você provavelmente gostaria de usar algo assim.”

A pesquisa é publicada em Revisão de Instrumentos Científicos.    

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