Fysiker vid Aalto -universitetet och VTT:s tekniska forskningscentrum har utvecklat en ny detektor för mätning av energikvantor med en aldrig tidigare skådad upplösning. Denna upptäckt kan hjälpa till att ta ut kvantberäkning från laboratoriet och till verkliga applikationer. Resultaten har publicerats idag i Natur .

Den typ av detektor teamet arbetar med kallas en bolometer, som mäter energin för inkommande strålning genom att mäta hur mycket det värmer upp detektorn. Professor Mikko Möttönens grupp Quantum Computing and Devices på Aalto har utvecklat sin expertis inom bolometrar för kvantberäkning under det senaste decenniet, och har nu utvecklat en enhet som kan matcha nuvarande toppmoderna detektorer som används i kvantdatorer.

"Det är fantastiskt hur vi har kunnat förbättra specifikationerna för vår bolometer år efter år, och nu ger vi oss ut på en spännande resa in i världen av kvantanordningar, säger Möttönen.

Att mäta qubits energi är kärnan i hur kvantdatorer fungerar. De flesta kvantdatorer mäter för närvarande en qubits energitillstånd genom att mäta spänningen som induceras av qubit. Dock, det finns tre problem med spänningsmätningar:för det första, att mäta spänningen kräver omfattande förstärkningskretsar, vilket kan begränsa skalbarheten för kvantdatorn; för det andra, denna krets förbrukar mycket ström; och för det tredje, spänningsmätningarna bär kvantbrus som introducerar fel i qubit -avläsningen. Kvantdatorforskare hoppas att genom att använda bolometrar för att mäta kvbit -energi, de kan övervinna alla dessa komplikationer, och nu har professor Möttönens team utvecklat en som är tillräckligt snabb och känslig nog för jobbet.

"Bolometrar går nu in på kvantteknikens område och kanske kan deras första tillämpning vara att läsa upp kvantinformationen från qubits. Bolometerns hastighet och noggrannhet verkar nu vara rätt för det, säger professor Möttönen.

Teamet hade tidigare tillverkat en bolometer gjord av en guld-palladiumlegering med låga ljudnivåer utan motstycke i sina mätningar, men det var fortfarande för långsamt att mäta qubits i kvantdatorer. Genombrottet i detta nya arbete uppnåddes genom att byta från att göra bolometern av guld-palladiumlegeringar till att göra dem av grafen. Att göra detta, de samarbetade med professor Pertti Hakonens NANO-grupp-även vid Aalto-universitetet-som har expertis i att tillverka grafenbaserade enheter. Grafen har en mycket låg värmekapacitet, vilket innebär att det är möjligt att upptäcka mycket små förändringar i sin energi snabbt. Det är denna hastighet för att upptäcka energiskillnaderna som gör den perfekt för en bolometer med applikationer för att mäta qubits och andra experimentella kvantsystem. Genom att byta till grafen, forskarna har tagit fram en bolometer som kan göra mätningar långt under en mikrosekund, lika snabbt som den teknik som för närvarande används för att mäta qubits.

"Byte till grafen ökade detektorhastigheten med 100 gånger, medan ljudnivån förblev densamma. Efter dessa första resultat, det finns fortfarande mycket optimering vi kan göra för att göra enheten ännu bättre, säger professor Hakonen.

Nu när de nya bolometrarna kan tävla när det gäller hastighet, förhoppningen är att utnyttja de andra fördelar som bolometrar har inom kvantteknik. Medan de bolometrar som rapporteras i det aktuella arbetet presterar i nivå med de nuvarande toppmoderna spänningsmätningarna, framtida bolometrar har potential att överträffa dem. Nuvarande teknik begränsas av Heisenbergs osäkerhetsprincip:spänningsmätningar kommer alltid att ha kvantbrus, men det gör inte bolometrar. Denna högre teoretiska noggrannhet, i kombination med lägre energibehov och mindre storlek - grafenflingan skulle kunna passa bekvämt inuti en enda bakterie - betyder att bolometrar är ett spännande nytt enhetskoncept för kvantberäkning.

Nästa steg för deras forskning är att lösa de minsta energipaket som någonsin observerats med hjälp av bolometrar i realtid och att använda bolometern för att mäta kvantegenskaperna hos mikrovågsfoton, som inte bara har spännande applikationer inom kvantteknik som databehandling och kommunikation, men också i grundläggande förståelse av kvantfysik.

Många av forskarna som är involverade i forskarna arbetar också på IQM, en spin-out av Aalto University som utvecklar teknik för kvantdatorer. "IQM letar ständigt efter nya sätt att förbättra sin kvant-datorteknik och den här nya bolometern passar verkligen räkningen, "förklarar Dr Kuan Yen Tan, Medgrundare av IQM som också var involverad i forskningen.