Noul bolometru ar putea duce la tehnologii cuantice criogenice mai bune – Physics World

Noul bolometru ar putea duce la tehnologii cuantice criogenice mai bune – Physics World

Marca temporală: 4 iulie 2023, ora 10:26

Bolometru nou
Idee grozavă: imagini cu bolometrul pe un cip de siliciu. (Cu amabilitatea: Jean-Philippe Girard/Universitatea Aalto)

Un nou tip de bolometru care acoperă o gamă largă de frecvențe ale microundelor a fost creat de cercetătorii din Finlanda. Lucrarea se bazează pe cercetările anterioare ale echipei, iar noua tehnică ar putea caracteriza sursele de zgomot de fond și, prin urmare, poate ajuta la îmbunătățirea mediilor criogenice necesare tehnologiilor cuantice.

Un bolometru este un instrument care măsoară căldura radiantă. Instrumentele există de 140 de ani și sunt dispozitive simple din punct de vedere conceptual. Ei folosesc un element care absoarbe radiația într-o anumită regiune a spectrului electromagnetic. Acest lucru face ca dispozitivul să se încălzească, rezultând o modificare a parametrilor care pot fi măsurate.

Bolometrele au găsit aplicații variind de la fizica particulelor la astronomie și screening de securitate. În 2019 Mikko Möttönen de la Universitatea Aalto din Finlanda și colegii săi au dezvoltat un nou bolometru ultra-mic, cu zgomot ultrascăzut, care cuprinde un rezonator cu microunde format dintr-o serie de secțiuni supraconductoare unite printr-un nanofir normal de aur-paladiu. Ei au descoperit că frecvența rezonatorului a scăzut atunci când bolometrul a fost încălzit.

Măsurarea qubiților

În 2020, același grup a schimbat metalul normal cu grafen, care are o capacitate termică mult mai mică și astfel ar trebui să măsoare schimbările de temperatură de 100 de ori mai rapid. Rezultatul ar putea avea avantaje față de tehnologiile actuale utilizate pentru măsurarea stărilor biților cuantici supraconductori individuali (qubiți).

Cu toate acestea, qubiții supraconductori sunt în mod notoriu predispuși la zgomotul clasic al fotonilor termici, iar în noua lucrare Möttönen și colegii, împreună cu cercetătorii de la compania de tehnologie cuantică Bluefors, a propus să abordeze acest lucru. Bolometrul cu grafen se concentrează pe detectarea unui singur qubit și pe măsurarea nivelului de putere relativă cât mai repede posibil pentru a determina starea acestuia. În această ultimă lucrare, totuși, cercetătorii căutau zgomot din toate sursele, așa că aveau nevoie de un absorbant de bandă largă. De asemenea, trebuiau să măsoare puterea absolută, ceea ce necesită calibrarea bolometrului.

Una dintre aplicațiile pe care echipa le-a demonstrat în experimentele lor a fost măsurarea cantității de pierderi de microunde și a zgomotului în cablurile care trec de la componentele la temperatura camerei la componentele de temperatură joasă. Anterior, cercetătorii au făcut acest lucru prin amplificarea semnalului de temperatură scăzută înainte de a-l compara cu un semnal de referință la temperatura camerei.

Foarte consumator de timp

„Aceste linii au fost de obicei calibrate prin rularea unui semnal în jos, rularea lui înapoi și apoi măsurarea a ceea ce se întâmplă”, explică Möttönen, „dar apoi sunt puțin sigur dacă semnalul meu s-a pierdut în jos sau în sus, așa că am trebuie să calibreze de multe ori... și să încălziți frigiderul... și să schimbați conexiunile... și să o faceți din nou - este foarte consumator de timp.”

Prin urmare, cercetătorii au integrat un mic încălzitor electric cu curent continuu în absorbantul termic al bolometrului, permițându-le să calibreze puterea absorbită din împrejurimi față de o sursă de alimentare pe care o puteau controla.

„Vedeți ce va vedea qubitul”, spune Möttönen. Încălzirea la scară femtowatt utilizată pentru calibrare – care este oprită în timpul funcționării dispozitivului cuantic – nu ar trebui să aibă un efect semnificativ asupra sistemului. Cercetătorii au evitat grafenul, revenind la un design supraconductor-metal-superconductor normal pentru joncțiuni din cauza ușurinței mai mari de producție și a durabilității mai bune a produsului finit: „Aceste dispozitive de aur-paladiu vor rămâne aproape neschimbate pe raft timp de un deceniu, și doriți ca instrumentele dvs. de caracterizare să rămână neschimbate în timp”, spune Möttönen.

Cercetătorii dezvoltă acum tehnologia pentru o filtrare spectrală mai detaliată a zgomotului. „Semnalul care vine în unitatea ta de procesare cuantică trebuie să fie puternic atenuat, iar dacă atenuatorul se încălzește, asta e rău... Am dori să vedem care este temperatura acelei linii la frecvențe diferite pentru a obține spectrul de putere”, spune Möttönen. . Acest lucru ar putea ajuta la alegerea frecvențelor cele mai bune sau la optimizarea echipamentelor pentru calculul cuantic.

„Este o muncă impresionantă”, spune tehnologul cuantic Martin Weides de la Universitatea din Glasgow. „Se adaugă la o serie de măsurători existente privind transferul de putere în mediile criogenice necesare tehnologiilor cuantice. Vă permite să măsurați de la frecvențe DC până la microunde, vă permite să le comparați pe ambele, iar măsurarea în sine este simplă... Dacă construiți un computer cuantic, construiți un criostat și doriți să vă caracterizați toate componentele de încredere, probabil că ați dori să utilizați așa ceva.”

Cercetarea este publicată în Revizuirea instrumentelor științifice.    

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii