Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Göteborg, Zweden, hebben een nieuw type thermometer ontwikkeld die eenvoudig en snel temperaturen kan meten tijdens kwantumberekeningen met extreem hoge nauwkeurigheid. De doorbraak biedt een benchmarking-tool voor kwantumcomputing van grote waarde - en opent voor experimenten op het opwindende gebied van kwantumthermodynamica.

De belangrijkste componenten in kwantumcomputers zijn coaxiale kabels en golfgeleiders - structuren die golfvormen geleiden en fungeren als de vitale verbinding tussen de kwantumprocessor en de klassieke elektronica die deze aanstuurt. Microgolfpulsen reizen langs de golfgeleiders naar de kwantumprocessor, en worden onderweg afgekoeld tot extreem lage temperaturen. De golfgeleider dempt en filtert ook de pulsen, waardoor de extreem gevoelige kwantumcomputer kan werken met stabiele kwantumtoestanden.

Om de controle over dit mechanisme te maximaliseren, de onderzoekers moeten er zeker van zijn dat deze golfgeleiders geen ruis dragen vanwege de thermische beweging van elektronen bovenop de pulsen die ze verzenden. Met andere woorden, ze moeten de temperatuur meten van de elektromagnetische velden aan het koude uiteinde van de microgolfgolfgeleiders, het punt waar de stuurpulsen worden afgegeven aan de qubits van de computer. Werken op een zo laag mogelijke temperatuur minimaliseert het risico op het introduceren van fouten in de qubits.

Tot nu, onderzoekers hebben deze temperatuur alleen indirect kunnen meten, met relatief grote vertraging. Nutsvoorzieningen, met de nieuwe thermometer van de onderzoekers van Chalmers, zeer lage temperaturen kunnen direct aan het ontvangende uiteinde van de golfgeleider worden gemeten, nauwkeurig en met een extreem hoge tijdresolutie.

"Onze thermometer is een supergeleidend circuit, direct verbonden met het uiteinde van de te meten golfgeleider. Het is relatief eenvoudig - en waarschijnlijk 's werelds snelste en meest gevoelige thermometer voor dit specifieke doel op de millikelvin-schaal, " zegt Simone Gasparinetti, universitair docent bij het Quantum Technology Laboratory, Chalmers University of Technology.

Belangrijk voor het meten van de prestaties van kwantumcomputers

De onderzoekers van het Wallenberg Center for Quantum Technology, WACQT, het doel hebben om tegen 2030 een kwantumcomputer te bouwen op basis van supergeleidende circuits met ten minste 100 goed functionerende qubits die correcte berekeningen uitvoeren. Het vereist een werktemperatuur van de processor dichtbij het absolute nulpunt, idealiter tot 10 millikelvin. De nieuwe thermometer geeft de onderzoekers een belangrijk hulpmiddel om te meten hoe goed hun systemen zijn en welke tekortkomingen er zijn - een noodzakelijke stap om de technologie te verfijnen en hun doel te bereiken.

"Een bepaalde temperatuur komt overeen met een bepaald aantal thermische fotonen, en dat aantal neemt exponentieel af met de temperatuur. Als we erin slagen de temperatuur aan het einde waar de golfgeleider de qubit ontmoet te verlagen tot 10 millikelvin, het risico op fouten in onze qubits wordt drastisch verminderd, " zegt Per Delsing, Hoogleraar bij de vakgroep Microtechnologie en Nanowetenschappen, Chalmers University of Technology, en leider van WACQT.

Nauwkeurige temperatuurmeting is ook nodig voor leveranciers die de kwaliteit van hun componenten moeten kunnen garanderen, bijvoorbeeld, kabels die worden gebruikt om signalen tot in de kwantumtoestanden te verwerken.

Nieuwe kansen op het gebied van kwantumthermodynamica

Kwantummechanische verschijnselen zoals superpositie, verstrengeling en decoherentie betekenen niet alleen een revolutie voor toekomstige computers, maar mogelijk ook voor de thermodynamica. Het kan heel goed zijn dat de thermodynamische wetten op de een of andere manier veranderen wanneer ze op nanoschaal werken op een manier die op een dag kan worden gebruikt om krachtigere motoren te produceren, sneller opladende batterijen, en meer.

"Al 15 tot 20 jaar, mensen hebben bestudeerd hoe de wetten van de thermodynamica kunnen worden gewijzigd door kwantumverschijnselen, maar de zoektocht naar een echt kwantumvoordeel in de thermodynamica is nog open, " zegt Simone Gasparinetti, die onlangs zijn eigen onderzoeksgroep startte en van plan is bij te dragen aan deze zoektocht met een nieuw scala aan experimenten.

De nieuwe thermometer kan bijvoorbeeld, meet de verstrooiing van thermische microgolven van een circuit dat fungeert als een kwantumwarmtemotor of koelkast.

"Standaardthermometers waren van fundamenteel belang voor de ontwikkeling van klassieke thermodynamica. We hopen dat misschien, in de toekomst, onze thermometer zal worden beschouwd als cruciaal voor de ontwikkeling van kwantumthermodynamica, " zegt Marco Scigliuzzo, promovendus bij de vakgroep Microtechnologie en Nanowetenschappen, Chalmers University of Technology.