Ny bolometer kan leda till bättre kryogena kvantteknologier – Physics World

En ny typ av bolometer som täcker ett brett spektrum av mikrovågsfrekvenser har skapats av forskare i Finland. Arbetet bygger på tidigare forskning av teamet och den nya tekniken skulle potentiellt kunna karakterisera bakgrundsbruskällor och därigenom bidra till att förbättra de kryogena miljöer som är nödvändiga för kvantteknik.

En bolometer är ett instrument som mäter strålningsvärme. Instrument har funnits i 140 år och är konceptuellt enkla enheter. De använder ett element som absorberar strålning i ett specifikt område av det elektromagnetiska spektrumet. Detta gör att enheten värms upp, vilket resulterar i en parameterändring som kan mätas.

Bolometrar har hittat tillämpningar som sträcker sig från partikelfysik till astronomi och säkerhetskontroll. År 2019 Mikko Mötönen vid Aalto-universitetet i Finland och kollegor utvecklade en ny ultraliten bolometer med ultralågt brus som består av en mikrovågsresonator gjord av en serie supraledande sektioner förenade av en normal guld-palladium nanotråd. De fann att resonatorfrekvensen sjönk när bolometern värmdes upp.

Mätning av qubits

2020 samma grupp bytte ut den normala metallen mot grafen, som har mycket lägre termisk kapacitet och därför bör mäta temperaturförändringar 100 gånger snabbare. Resultatet kan ha fördelar jämfört med nuvarande teknologier som används för att mäta tillstånden för individuella supraledande kvantbitar (qubits).

Supraledande qubits är dock notoriskt benägna för det klassiska bruset från termiska fotoner, och i det nya verket Möttönen och kollegor, tillsammans med forskare vid kvantteknikföretaget Bluefors, satte sig för att ta itu med detta. Grafenbolometern fokuserar på att känna av en enda qubit och på att mäta den relativa effektnivån så snabbt som möjligt för att bestämma dess tillstånd. I det här senaste arbetet letade forskarna dock efter buller från alla källor, så de behövde en bredbandsabsorbent. De behövde också mäta den absoluta effekten, vilket kräver kalibrering av bolometern.

En av applikationerna som teamet demonstrerade i sina experiment var mätningen av mängden mikrovågsförlust och brus i kablarna som går från rumstemperaturkomponenter till lågtemperaturkomponenter. Tidigare har forskare gjort detta genom att förstärka lågtemperatursignalen innan de jämförs med en referenssignal vid rumstemperatur.

Mycket tidskrävande

"De här linjerna har vanligtvis kalibrerats genom att köra en signal ner, köra den tillbaka upp och sedan mäta vad som händer", förklarar Möttönen, "men då är jag lite osäker på om min signal gick förlorad på vägen ner eller upp så jag måste kalibrera många gånger...och värma upp kylen...och byta anslutningar...och gör det igen – det är väldigt tidskrävande."

Istället integrerade forskarna därför en liten elektrisk likströmsvärmare i bolometerns termiska absorbator, så att de kunde kalibrera den absorberade effekten från omgivningen mot en strömkälla som de kunde kontrollera.

"Du ser vad qubiten kommer att se", säger Möttönen. Uppvärmningen i femtowattskala som används för kalibrering – som är avstängd under driften av kvantenheten – borde inte ha någon meningsfull effekt på systemet. Forskarna undvek grafen och återgick till en superledare-normal metall-supraledare-design för korsningarna på grund av den större enkla produktionen och bättre hållbarhet för den färdiga produkten: "Dessa guld-palladium-enheter kommer att förbli nästan oförändrade på hyllan i ett decennium, och du vill att dina karaktäriseringsverktyg ska förbli oförändrade över tiden, säger Möttönen.

Grafenbaserad bolometer går i ultrasnabba hastigheter

Forskarna utvecklar nu tekniken för mer detaljerad spektralfiltrering av brus. "Signalen som kommer in i din kvantbearbetningsenhet måste dämpas kraftigt, och om dämparen blir varm är det dåligt... Vi skulle vilja se vad temperaturen på den linjen är vid olika frekvenser för att få effektspektrumet", säger Möttönen . Detta kan hjälpa till att bestämma vilka frekvenser som är bäst att välja eller hjälpa till att optimera utrustning för kvantberäkning.

"Det är ett imponerande arbete", säger kvantteknolog Martin Weides vid University of Glasgow. "Det lägger till ett antal befintliga mätningar på överföring av kraft i kryogena miljöer som krävs för kvantteknik. Det låter dig mäta från likström upp till mikrovågsfrekvenser, det låter dig jämföra båda, och själva mätningen är enkel...Om du bygger en kvantdator, bygger du en kryostat, och du vill karakterisera alla dina komponenter tillförlitligt, du skulle förmodligen vilja använda något sådant här.”

Forskningen är publicerad i Granskning av vetenskapliga instrument.    

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/new-bolometer-could-lead-to-better-cryogenic-quantum-technologies/