_ Echipa este prima pentru a măsura qubiții cu detectoare termice ultrasensibile, eludând principiul incertitudinii Heisenberg

Urmărirea numărului de qubiți din ce în ce mai mare în calculatoarele cuantice pe termen scurt necesită în mod constant noi fapte de inginerie.

Printre obstacolele supărătoare ale această cursă de extindere rafinează modul în care sunt măsurați qubiții. Dispozitivele numite amplificatoare parametrice sunt folosite în mod tradițional pentru a efectua aceste măsurători. Dar, așa cum sugerează și numele, dispozitivul amplifică semnalele slabe preluate de la qubiți pentru a conduce citirea, ceea ce provoacă zgomot nedorit și poate duce la decoerența qubiților dacă nu este protejat de componente mari suplimentare. Mai important, dimensiunea voluminoasă a lanțului de amplificare devine tehnic dificil de rezolvat, pe măsură ce numărul de qubiți crește în frigiderele cu dimensiuni limitate.

Indicați grupul de cercetare de la Universitatea Aalto, Quantum Computing and Devices (QCD). Aceștia au o experiență considerabilă de a arăta cum bolometrele termice pot fi folosite ca detectoare ultrasensibile și au demonstrat acum într-o lucrare Nature Electronics că măsurătorile bolometrelor pot fi suficient de precise pentru citirea qubitului cu o singură lovitură.

Pentru a supărarea multor fizicieni, principiul incertitudinii Heisenberg determină că nu se poate cunoaște simultan poziția și impulsul unui semnal, sau tensiunea și curentul, cu precizie. Așadar, merge cu măsurătorile de qubit efectuate cu amplificatoare parametrice tensiune-curent.

Dar detectarea energiei bolometrice este un tip fundamental de măsurare diferit – servind ca mijloc de a evita regula infama a lui Heisenberg. Deoarece un bolometru măsoară puterea sau numărul de fotoni, nu este obligat să adauge zgomot cuantic care decurge din principiul incertitudinii Heisenberg în felul în care sunt amplificatoarele parametrice.

Spre deosebire de amplificatoare, bolometrele detectează foarte subtil fotonii de microunde emiși de la qubit-ul printr-o interfață de detectare minim invazivă. Acest factor de formă este de aproximativ 100 de ori mai mic decât omologul său amplificator, făcându-l extrem de atractiv ca dispozitiv de măsurare.

„Când ne gândim la un viitor cuantic suprem, este ușor să ne imaginăm un număr mare de qubiți în mii. sau chiar milioane ar putea fi obișnuite. O evaluare atentă a amprentei fiecărei componente este absolut necesară pentru această extindere masivă. Am arătat în lucrarea Nature Electronics că nanobolometrele noastre ar putea fi considerate serios ca o alternativă la amplificatoarele convenționale", spune Profesorul de la Universitatea Aalto Mikko Möttönen, care conduce grupul de cercetare QCD.

„În primele noastre experimente, am găsit aceste bolometre suficient de precise pentru citirea cu o singură lovitură, fără zgomot cuantic adăugat și consumă de 10.000 de ori. putere mai mică decât amplificatoarele obișnuite — toate într-un bolometru mic, a cărui parte sensibilă la temperatură poate încăpea în interiorul unei singure bacterii”, continuă prof. Möttönen.

Fidelitatea la o singură lovitură este o măsură importantă pentru fizicienii. utilizați pentru a determina cât de precis un dispozitiv poate detecta starea unui qubit într-o singură măsurare, spre deosebire de o medie a mai multor măsurători. În cazul experimentelor grupului QCD, aceștia au reușit să obțină o fidelitate cu o singură lovitură de 61,8% cu o durată de citire de aproximativ 14 microsecunde. La corectarea timpului de relaxare energetică a qubitului, fidelitatea crește până la 92,7%.

„Cu modificări minore, ne-am putea aștepta să vedem bolometre care se apropie de fidelitatea dorită de 99,9% pentru o singură lovitură în 200 de nanosecunde. De exemplu, putem schimba materialul bolometrului de la metal la grafen, care are o căldură mai scăzută. capacitatea și poate detecta rapid modificări foarte mici ale energiei sale. Și prin eliminarea altor componente inutile dintre bolometru și cip în sine, nu numai că putem aduce îmbunătățiri și mai mari la fidelitatea citirii, dar putem realiza un dispozitiv de măsurare mai mic și mai simplu, care face ca scalarea la un număr mai mare de qubit să fie mai fezabilă”, spune András Gunyhó, primul autor al lucrării și cercetător doctorat în grupul QCD.

Înainte de a demonstra fidelitatea ridicată a citirii cu o singură atingere a bolometrelor. în cea mai recentă lucrare a lor, grupul de cercetare QCD a arătat pentru prima dată că bolometrele pot fi utilizate pentru măsurători ultrasensibile, în timp real, la microunde în 2019. Apoi au publicat în 2020 o lucrare în Nature care arată cum bolometrele din grafen pot scurta timpii de citire cu mult mai mici. o microsecundă.

Lucrarea a fost realizată în Centrul de excelență pentru tehnologie cuantică (QTF) al Consiliului de Cercetare al Finlandei folosind infrastructura de cercetare OtaNano în colaborare cu Centrul de Cercetare Tehnic VTT din Finlanda și IQM Quantum Computers.

(Fluierul)