Den nya kvanttermometern på ett chip, i förgrunden. Det är förmodligen världens snabbaste och känsligaste termometer för att mäta temperatur i den kalla änden av en vågledare på millikelvinskalan, enligt Chalmersforskarna. Kredit:Claudia Castillo Moreno/Chalmers tekniska högskola
Forskare vid Chalmers tekniska högskola, Göteborg, Sverige, har utvecklat en ny typ av termometer som enkelt och snabbt kan mäta temperaturer under kvantberäkningar med extremt hög noggrannhet. Genombrottet ger ett benchmarkingverktyg för kvantberäkning av stort värde – och öppnar upp för experiment inom det spännande området kvanttermodynamik.
Nyckelkomponenter i kvantdatorer är koaxialkablar och vågledare – strukturer som styr vågformer och fungerar som den vitala kopplingen mellan kvantprocessorn och den klassiska elektroniken som styr den. Mikrovågspulser går längs vågledarna till kvantprocessorn, och kyls ner till extremt låga temperaturer längs vägen. Vågledaren dämpar och filtrerar också pulserna, gör det möjligt för den extremt känsliga kvantdatorn att arbeta med stabila kvanttillstånd.
För att maximera kontrollen över denna mekanism, forskarna måste vara säkra på att dessa vågledare inte bär buller på grund av termisk rörelse av elektroner ovanpå de pulser som de skickar. Med andra ord, de måste mäta temperaturen på de elektromagnetiska fälten i den kalla änden av mikrovågsledarna, punkten där de styrande pulserna levereras till datorns qubits. Att arbeta vid lägsta möjliga temperatur minimerar risken för införande av fel i qubits.
Tills nu, forskare har bara kunnat mäta denna temperatur indirekt, med relativt stor fördröjning. Nu, med Chalmersforskarnas nya termometer, mycket låga temperaturer kan mätas direkt vid den mottagande änden av vågledaren, exakt och med extremt hög tidsupplösning.
"Vår termometer är en supraledande krets, direkt ansluten till änden av vågledaren som mäts. Det är relativt enkelt – och förmodligen världens snabbaste och känsligaste termometer för just detta ändamål på millikelvinskalan, säger Simone Gasparinetti, biträdande professor vid Quantum Technology Laboratory, Chalmers tekniska universitet.
Viktigt för att mäta kvantdatorprestanda
Forskarna vid Wallenberg Center for Quantum Technology, WACQT, har som mål att bygga en kvantdator baserad på supraledande kretsar med minst 100 välfungerande qubits som utför korrekta beräkningar senast 2030. Det kräver en processors arbetstemperatur nära absolut noll, helst ner till 10 millikelvin. Den nya termometern ger forskarna ett viktigt verktyg för att mäta hur bra deras system är och vilka brister som finns — ett nödvändigt steg för att kunna förfina tekniken och nå sitt mål.
Ett konstnärligt intryck av den supraledande kretsen som användes i experimentet av Scigliuzzo et al. (vänster), och dess förmåga att mäta termiska mikrovågor på nivån av ett enda excitationskvantum (höger). Kredit:neuroncollective.com / Chalmers tekniska högskola
"En viss temperatur motsvarar ett givet antal termiska fotoner, och det antalet minskar exponentiellt med temperaturen. Om vi lyckas sänka temperaturen i slutet där vågledaren möter qubiten till 10 millikelvin, risken för fel i våra qubits minskar drastiskt, säger Per Delsing, Professor vid institutionen för mikroteknik och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola, och ledare för WACQT.
Noggrann temperaturmätning är också nödvändig för leverantörer som behöver kunna garantera kvaliteten på sina komponenter, till exempel, kablar som används för att hantera signaler ner till kvanttillstånd.
Nya möjligheter inom området kvanttermodynamik
Kvantmekaniska fenomen som superposition, intrassling och dekoherens innebär en revolution inte bara för framtida datoranvändning utan potentiellt även inom termodynamiken. Det kan mycket väl vara så att de termodynamiska lagarna på något sätt förändras när man arbetar nere på nanoskala på ett sätt som en dag skulle kunna utnyttjas för att producera kraftfullare motorer, snabbare laddande batterier, och mer.
"I 15 till 20 år, människor har studerat hur termodynamikens lagar kan modifieras av kvantfenomen, men sökandet efter en genuin kvantfördel inom termodynamiken är fortfarande öppen, säger Simone Gasparinetti, som nyligen startade sin egen forskargrupp och planerar att bidra till denna sökning med en ny rad experiment.
Den nya termometern kan, till exempel, mät spridningen av termiska mikrovågor från en krets som fungerar som en kvantvärmemotor eller ett kylskåp.
"Standardtermometrar var grundläggande för att utveckla klassisk termodynamik. Vi hoppas att kanske, i framtiden, vår termometer kommer att betraktas som avgörande för att utveckla kvanttermodynamik, " säger Marco Scigliuzzo, doktorand vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola.
