Natuurkundigen van de Aalto University en het VTT Technical Research Centre van Finland hebben een nieuwe detector ontwikkeld voor het meten van energiequanta met een ongekende resolutie. Deze ontdekking zou kunnen helpen om kwantumcomputing uit het laboratorium en in toepassingen in de echte wereld te halen. De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in Natuur .

Het type detector waaraan het team werkt, wordt een bolometer genoemd, die de energie van binnenkomende straling meet door te meten hoeveel het de detector opwarmt. Professor Mikko Möttönen's Quantum Computing and Devices-groep bij Aalto heeft het afgelopen decennium hun expertise op het gebied van bolometers voor quantum computing ontwikkeld, en hebben nu een apparaat ontwikkeld dat overeenkomt met de huidige state-of-the-art detectoren die in kwantumcomputers worden gebruikt.

"Het is verbazingwekkend hoe we de specificaties van onze bolometer jaar na jaar hebben kunnen verbeteren. en nu beginnen we aan een spannende reis naar de wereld van kwantumapparaten, ", zegt Mottönen.

Het meten van de energie van qubits vormt de kern van hoe kwantumcomputers werken. De meeste kwantumcomputers meten momenteel de energietoestand van een qubit door de spanning te meten die door de qubit wordt opgewekt. Echter, er zijn drie problemen met spanningsmetingen:ten eerste, het meten van de spanning vereist uitgebreide versterkingscircuits, die de schaalbaarheid van de kwantumcomputer kunnen beperken; ten tweede, deze schakeling verbruikt veel stroom; en ten derde, de spanningsmetingen dragen kwantumruis die fouten introduceert in de qubit-uitlezing. Onderzoekers van kwantumcomputers hopen dat door bolometers te gebruiken om qubit-energie te meten, ze kunnen al deze complicaties overwinnen, en nu heeft het team van professor Möttönen er een ontwikkeld die snel genoeg en gevoelig genoeg is voor de klus.

"Bolometers betreden nu het gebied van kwantumtechnologie en misschien zou hun eerste toepassing kunnen zijn bij het uitlezen van de kwantuminformatie van qubits. De bolometersnelheid en nauwkeurigheid lijken er nu geschikt voor, " zegt professor Möttönen.

Het team had eerder een bolometer gemaakt van een goud-palladiumlegering met ongeëvenaard lage geluidsniveaus in zijn metingen, maar het was nog steeds te traag om qubits in kwantumcomputers te meten. De doorbraak in dit nieuwe werk werd bereikt door over te stappen van het maken van de bolometer uit goud-palladiumlegeringen naar het maken van grafeen. Om dit te doen, ze werkten samen met de NANO-groep van professor Pertti Hakonen - ook aan de Aalto University - die expertise heeft in het fabriceren van op grafeen gebaseerde apparaten. Grafeen heeft een zeer lage warmtecapaciteit, wat betekent dat het mogelijk is om zeer kleine veranderingen in zijn energie snel te detecteren. Het is deze snelheid bij het detecteren van de energieverschillen die hem perfect maakt voor een bolometer met toepassingen bij het meten van qubits en andere experimentele kwantumsystemen. Door over te stappen op grafeen, de onderzoekers hebben een bolometer gemaakt die metingen kan doen binnen een microseconde, even snel als de technologie die momenteel wordt gebruikt om qubits te meten.

"Door over te stappen op grafeen is de detectorsnelheid 100 keer sneller geworden, terwijl het geluidsniveau gelijk bleef. Na deze eerste resultaten er is nog veel optimalisatie die we kunnen doen om het apparaat nog beter te maken, ’ zegt professor Hakonen.

Nu de nieuwe bolometers kunnen concurreren op snelheid, de hoop is om gebruik te maken van de andere voordelen die bolometers hebben in de kwantumtechnologie. Hoewel de bolometers die in het huidige werk worden gerapporteerd, vergelijkbaar zijn met de huidige state-of-the-art spanningsmetingen, toekomstige bolometers hebben het potentieel om hen te overtreffen. De huidige technologie wordt beperkt door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg:spanningsmetingen zullen altijd kwantumruis hebben, maar bolometers niet. Deze hogere theoretische nauwkeurigheid, gecombineerd met de lagere energiebehoefte en het kleinere formaat - de grafeenvlok zou comfortabel in een enkele bacterie kunnen passen - betekent dat bolometers een opwindend nieuw apparaatconcept zijn voor kwantumcomputers.

De volgende stappen voor hun onderzoek zijn om de kleinste energiepakketten die ooit zijn waargenomen met behulp van bolometers in realtime op te lossen en de bolometer te gebruiken om de kwantumeigenschappen van microgolffotonen te meten, die niet alleen opwindende toepassingen hebben in kwantumtechnologieën zoals computers en communicatie, maar ook in fundamenteel begrip van de kwantumfysica.

Veel van de wetenschappers die betrokken zijn bij de onderzoekers werken ook bij IQM, een spin-out van Aalto University die technologie ontwikkelt voor kwantumcomputers. "IQM is voortdurend op zoek naar nieuwe manieren om zijn kwantumcomputertechnologie te verbeteren en deze nieuwe bolometer past daar zeker bij, " legt Dr. Kuan Yen Tan uit, Mede-oprichter van IQM die ook betrokken was bij het onderzoek.