Att jaga allt högre qubit-antal i korttidskvantdatorer kräver ständigt nya tekniska prestationer.
Bland de besvärliga hindren i detta uppskalningslopp är att förfina hur qubits mäts. Enheter som kallas parametriska förstärkare används traditionellt för att göra dessa mätningar. Men som namnet antyder, förstärker enheten svaga signaler som plockas upp från qubits för att utföra avläsningen, vilket orsakar oönskat brus och kan leda till dekoherens av qubits om de inte skyddas av ytterligare stora komponenter. Ännu viktigare är att den skrymmande storleken på förstärkningskedjan blir tekniskt utmanande att komma runt eftersom antalet qubit ökar i storleksbegränsade kylskåp.
Se Aalto-universitetets forskargrupp Quantum Computing and Devices (QCD). De har en rejäl meritlista för att visa hur termiska bolometrar kan användas som ultrakänsliga detektorer, och de har nu demonstrerat i en Nature Electronics papper som bolometermätningar kan vara tillräckligt noggranna för qubit-avläsning i ett skott.
Till många fysikers förtret bestämmer Heisenbergs osäkerhetsprincip att man inte samtidigt kan känna till en signals position och momentum, eller spänning och ström, med noggrannhet. Så det går med qubit-mätningar utförda med parametriska spännings-strömförstärkare.
Men bolometrisk energiavkänning är en fundamentalt annan typ av mätning – som fungerar som ett sätt att undvika Heisenbergs ökända regel. Eftersom en bolometer mäter effekt, eller fotonnummer, är den inte bunden att lägga till kvantbrus som härrör från Heisenbergs osäkerhetsprincip på det sätt som parametriska förstärkare är.
Till skillnad från förstärkare känner bolometrar mycket subtilt av mikrovågsfotoner som emitteras från qubiten via ett minimalt invasivt detektionsgränssnitt. Denna formfaktor är ungefär 100 gånger mindre än dess förstärkare, vilket gör den extremt attraktiv som mätanordning.
"När man tänker på en kvantöverlägsen framtid är det lätt att föreställa sig att höga qubit-antal i tusentals eller till och med miljoner kan vara vanligt. En noggrann utvärdering av fotavtrycket för varje komponent är absolut nödvändig för denna massiva uppskalning. Vi har visat i Nature Electronics papper att våra nanobolometrar på allvar skulle kunna övervägas som ett alternativ till konventionella förstärkare", säger professor vid Aalto-universitetet Mikko Möttönen, som leder forskargruppen QCD.
"I våra allra första experiment fann vi dessa bolometrar tillräckligt noggranna för avläsning i en enda bild, fria från extra kvantbrus, och de förbrukar 10 000 gånger mindre ström än de typiska förstärkarna - allt i en liten bolometer, vars temperaturkänsliga del kan passa inuti en enda bakterie", fortsätter prof. Möttönen.
Single-shot fidelity är en viktig metrisk fysiker använder för att bestämma hur exakt en enhet kan detektera en qubits tillstånd i bara en mätning i motsats till ett genomsnitt av flera mätningar. När det gäller QCD-gruppens experiment kunde de erhålla en engångsfidelitet på 61,8 % med en avläsningsvaraktighet på ungefär 14 mikrosekunder. När man korrigerar för qubitens energirelaxationstid, hoppar troheten upp till 92,7%.
"Med mindre modifieringar kan vi förvänta oss att se bolometrar närma sig den önskade 99,9% enkelbildsfideliteten på 200 nanosekunder. Vi kan till exempel byta bolometermaterialet från metall till grafen, som har en lägre värmekapacitet och kan upptäcka mycket små förändringar i sin energi snabbt Och genom att ta bort andra onödiga komponenter mellan bolometern och själva chippet kan vi inte bara göra ännu större förbättringar av avläsningsfideliteten, utan vi kan uppnå en mindre och enklare mätenhet som gör uppskalning till högre qubit. räknas som mer genomförbart", säger András Gunyhó, den första författaren på tidningen och doktorand i QCD-gruppen.
Innan de demonstrerade bolometrarnas höga engångsavläsningsfidelitet i sin senaste artikel, visade QCD-forskargruppen först att bolometrar kan användas för ultrakänsliga mikrovågsmätningar i realtid 2019. De publicerade sedan 2020 en artikel i Natur visar hur bolometrar gjorda av grafen kan förkorta avläsningstiderna till långt under en mikrosekund.
Arbetet utfördes i Finlands forskningsråds spetsforskningscentrum för kvantteknologi (QTF) med OtaNano-forskningsinfrastruktur i samarbete med VTT Tekniska forskningscentrum i Finland och IQM Quantum Computers.
Mer information: András M. Gunyhó, Single Shot Readout of a Superconducting Qubit Using a Thermal Detector, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01147-7
Journalinformation: Naturelektronik , Natur
Tillhandahålls av Aalto University
