โบโลมิเตอร์ใหม่อาจนำไปสู่เทคโนโลยีควอนตัมการแช่แข็งที่ดีขึ้น - Physics World

โบโลมิเตอร์ใหม่อาจนำไปสู่เทคโนโลยีควอนตัมการแช่แข็งที่ดีขึ้น - Physics World

ประทับเวลา: 4 กรกฎาคม 2023 10:26 น

โบโลมิเตอร์ใหม่
ไอเดียเจ๋งๆ: รูปภาพโบโลมิเตอร์บนชิปซิลิคอน (เอื้อเฟื้อโดย: Jean-Philippe Girard/มหาวิทยาลัย Aalto)

โบโลมิเตอร์ชนิดใหม่ที่ครอบคลุมความถี่ไมโครเวฟที่หลากหลายได้ถูกสร้างขึ้นโดยนักวิจัยในฟินแลนด์ งานนี้สร้างขึ้นจากการวิจัยก่อนหน้านี้โดยทีมงาน และเทคนิคใหม่นี้อาจระบุลักษณะของแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนเบื้องหลัง และด้วยเหตุนี้จึงช่วยปรับปรุงสภาพแวดล้อมการแช่แข็งที่จำเป็นสำหรับเทคโนโลยีควอนตัม

โบโลมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้วัดความร้อนจากการแผ่รังสี เครื่องมือมีมาเป็นเวลา 140 ปีแล้วและเป็นอุปกรณ์ที่เรียบง่ายตามแนวคิด พวกเขาใช้องค์ประกอบที่ดูดซับรังสีในบริเวณเฉพาะของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้อุปกรณ์ร้อนขึ้น ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ที่สามารถวัดได้

โบโลมิเตอร์พบการใช้งานตั้งแต่ฟิสิกส์ของอนุภาคไปจนถึงดาราศาสตร์และการคัดกรองความปลอดภัย ในปี 2019 มิกโกะ เมอทเทอเน็น ของมหาวิทยาลัย Aalto ในประเทศฟินแลนด์และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาโบโลมิเตอร์เสียงรบกวนต่ำพิเศษขนาดเล็กพิเศษใหม่ซึ่งประกอบด้วยตัวสะท้อนคลื่นไมโครเวฟที่ทำจากชุดของส่วนตัวนำยิ่งยวดที่เชื่อมต่อกันด้วยเส้นลวดนาโนทองคำแพลเลเดียมปกติ พวกเขาพบว่าความถี่เรโซเนเตอร์ลดลงเมื่อโบโลมิเตอร์ถูกทำให้ร้อน

การวัดควิบิต

ในปี 2020 กลุ่มเดียวกัน เปลี่ยนโลหะธรรมดาเป็นกราฟีนซึ่งมีความจุความร้อนต่ำกว่ามาก จึงควรวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้เร็วกว่า 100 เท่า ผลลัพธ์อาจมีข้อได้เปรียบเหนือเทคโนโลยีปัจจุบันที่ใช้ในการวัดสถานะของบิตควอนตัมตัวนำยิ่งยวด (qubits) แต่ละตัว

อย่างไรก็ตาม คิวบิตตัวนำยิ่งยวดมีแนวโน้มที่จะเกิดเสียงคลาสสิกของโฟตอนความร้อนอย่างฉาวโฉ่ และในงานใหม่ Möttönen และเพื่อนร่วมงาน ร่วมกับนักวิจัยจากบริษัทเทคโนโลยีควอนตัม บลูฟอร์สมุ่งมั่นที่จะแก้ไขปัญหานี้ โบโลมิเตอร์แบบกราฟีนมุ่งเน้นไปที่การตรวจจับควิบิตเดี่ยว และการวัดระดับพลังงานสัมพัทธ์โดยเร็วที่สุดเพื่อระบุสถานะของมัน อย่างไรก็ตาม ในงานล่าสุดนี้ นักวิจัยกำลังมองหาเสียงรบกวนจากทุกแหล่ง ดังนั้นพวกเขาจึงจำเป็นต้องมีตัวดูดซับบรอดแบนด์ พวกเขายังจำเป็นต้องวัดกำลังสัมบูรณ์ด้วย ซึ่งต้องมีการสอบเทียบโบโลมิเตอร์

การประยุกต์ใช้งานประการหนึ่งที่ทีมสาธิตในการทดลองคือการวัดปริมาณการสูญเสียของไมโครเวฟและเสียงในสายเคเบิลที่วิ่งจากส่วนประกอบอุณหภูมิห้องไปยังส่วนประกอบที่มีอุณหภูมิต่ำ ก่อนหน้านี้ นักวิจัยได้ทำเช่นนี้โดยการขยายสัญญาณอุณหภูมิต่ำก่อนที่จะเปรียบเทียบกับสัญญาณอ้างอิงที่อุณหภูมิห้อง

ใช้เวลานานมาก

“โดยทั่วไปแล้วเส้นเหล่านี้ได้รับการปรับเทียบโดยการส่งสัญญาณลง วิ่งกลับขึ้นไป แล้ววัดว่าเกิดอะไรขึ้น” Möttönen อธิบาย “แต่แล้วฉันก็ไม่แน่ใจนิดหน่อยว่าสัญญาณของฉันหายไประหว่างทางขึ้นหรือลง ฉันจึง ต้องปรับเทียบหลายครั้ง…และอุ่นตู้เย็น…และเปลี่ยนการเชื่อมต่อ…และทำอีกครั้ง ซึ่งใช้เวลานานมาก”

ดังนั้น นักวิจัยจึงได้รวมเครื่องทำความร้อนไฟฟ้ากระแสตรงขนาดเล็กเข้ากับตัวดูดซับความร้อนของโบโลมิเตอร์ ทำให้พวกเขาสามารถปรับเทียบพลังงานที่ดูดซับจากสภาพแวดล้อมกับแหล่งจ่ายไฟที่พวกเขาสามารถควบคุมได้

“คุณจะเห็นสิ่งที่ควิบิตเห็น” Möttönen กล่าว การทำความร้อนระดับเฟมโตวัตต์ที่ใช้สำหรับการสอบเทียบ (ซึ่งปิดอยู่ระหว่างการทำงานของอุปกรณ์ควอนตัม) ไม่น่าจะมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อระบบ นักวิจัยละทิ้งกราฟีน โดยเปลี่ยนกลับไปใช้การออกแบบตัวนำยิ่งยวด - โลหะธรรมดา - ตัวนำยิ่งยวดสำหรับจุดเชื่อมต่อ เนื่องจากความง่ายในการผลิตมากขึ้นและความทนทานของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปดีขึ้น: "อุปกรณ์แพลเลเดียมทองคำเหล่านี้จะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเกือบบนชั้นวางเป็นเวลาหนึ่งทศวรรษ และคุณต้องการให้เครื่องมือกำหนดลักษณะเฉพาะของคุณไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป” Möttönen กล่าว

ขณะนี้นักวิจัยกำลังพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการกรองสเปกตรัมเสียงที่มีรายละเอียดมากขึ้น “สัญญาณที่เข้ามาในหน่วยประมวลผลควอนตัมของคุณจะต้องถูกลดทอนลงอย่างมาก และหากตัวลดทอนร้อน นั่นก็แย่... เราต้องการดูว่าอุณหภูมิของเส้นนั้นที่ความถี่ต่างกันคือเท่าใดเพื่อให้ได้สเปกตรัมพลังงาน” Möttönen กล่าว . ซึ่งอาจช่วยในการตัดสินใจว่าความถี่ใดดีที่สุดในการเลือกหรือช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอุปกรณ์สำหรับการประมวลผลควอนตัม

“เป็นงานที่น่าประทับใจ” นักเทคโนโลยีควอนตัมกล่าว มาร์ติน ไวเดส ของมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ “มันเพิ่มการวัดที่มีอยู่จำนวนหนึ่งเกี่ยวกับการถ่ายโอนพลังงานในสภาพแวดล้อมการแช่แข็งที่จำเป็นสำหรับเทคโนโลยีควอนตัม ช่วยให้คุณสามารถวัดตั้งแต่ dc จนถึงความถี่ไมโครเวฟ ช่วยให้คุณสามารถเปรียบเทียบทั้งสองค่าได้ และการวัดเองก็ตรงไปตรงมา...หากคุณกำลังสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม คุณกำลังสร้างเครื่องไครโอสแตต และคุณต้องการระบุลักษณะส่วนประกอบทั้งหมดของคุณ คุณอาจจะอยากใช้อะไรแบบนี้”

การวิจัยถูกตีพิมพ์ลงที่ การทบทวนเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์.    

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์