Wetenschap
Het team meet als eerste ooit qubits met ultragevoelige thermische detectoren, waarmee het onzekerheidsprincipe van Heisenberg wordt omzeild
Het najagen van steeds hogere qubit-aantallen in kwantumcomputers op de korte termijn vereist voortdurend nieuwe technische hoogstandjes.
Een van de lastige hindernissen van deze opschalingsrace is het verfijnen van de manier waarop qubits worden gemeten. Voor het uitvoeren van deze metingen worden traditioneel apparaten gebruikt die parametrische versterkers worden genoemd. Maar zoals de naam al doet vermoeden, versterkt het apparaat zwakke signalen die door de qubits worden opgepikt om de uitlezing uit te voeren, wat ongewenste ruis veroorzaakt en kan leiden tot decoherentie van de qubits als ze niet worden beschermd door extra grote componenten. Belangrijker nog is dat de omvangrijke omvang van de versterkingsketen technisch een uitdaging wordt om te omzeilen, omdat het aantal qubits toeneemt in koelkasten met beperkte afmetingen.
Richt u op de onderzoeksgroep Quantum Computing and Devices (QCD) van de Universiteit van Aalto. Ze hebben een flinke staat van dienst als het gaat om het laten zien hoe thermische bolometers kunnen worden gebruikt als ultragevoelige detectoren, en dat hebben ze nu gedemonstreerd in een Nature Electronics papier dat bolometermetingen nauwkeurig genoeg kunnen zijn voor single-shot qubit-uitlezing.
Een nieuwe meetmethode
Tot ergernis van veel natuurkundigen bepaalt het onzekerheidsprincipe van Heisenberg dat men niet tegelijkertijd de positie en het momentum van een signaal, of de spanning en stroom, nauwkeurig kan kennen. Zo gaat het ook met qubit-metingen die worden uitgevoerd met parametrische spanning-stroomversterkers.
Maar bolometrische energiemeting is een fundamenteel ander soort meting en dient als middel om de beruchte regel van Heisenberg te omzeilen. Omdat een bolometer het vermogen of het aantal fotonen meet, is hij niet verplicht kwantumruis toe te voegen die voortkomt uit het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, zoals parametrische versterkers dat doen.
In tegenstelling tot versterkers detecteren bolometers op zeer subtiele wijze microgolffotonen die door de qubit worden uitgezonden via een minimaal invasieve detectie-interface. Deze vormfactor is ongeveer 100 keer kleiner dan zijn tegenhanger in de versterker, waardoor hij uiterst aantrekkelijk is als meetapparaat.
“Als je aan een kwantum-supreme toekomst denkt, kun je je gemakkelijk voorstellen dat hoge qubit-aantallen in de duizenden of zelfs miljoenen gemeengoed zouden kunnen zijn. Een zorgvuldige evaluatie van de voetafdruk van elke component is absoluut noodzakelijk voor deze enorme opschaling. We hebben aangetoond in de Natuurelektronica artikel dat onze nanobolometers serieus kunnen worden beschouwd als een alternatief voor conventionele versterkers", zegt professor Mikko Möttönen van de Aalto Universiteit, hoofd van de QCD-onderzoeksgroep.
"Tijdens onze allereerste experimenten ontdekten we dat deze bolometers nauwkeurig genoeg zijn voor een eenmalige uitlezing, vrij van toegevoegde kwantumruis, en dat ze 10.000 keer minder stroom verbruiken dan de typische versterkers - allemaal in een kleine bolometer, waarvan het temperatuurgevoelige deel passen in één enkele bacterie”, vervolgt prof. Möttönen.
Single-shot-getrouwheid is een belangrijke maatstaf die natuurkundigen gebruiken om te bepalen hoe nauwkeurig een apparaat de toestand van een qubit kan detecteren in slechts één meting, in tegenstelling tot een gemiddelde van meerdere metingen. In het geval van de experimenten van de QCD-groep waren ze in staat een single-shot-getrouwheid van 61,8% te verkrijgen met een uitleestijd van ongeveer 14 microseconden. Wanneer wordt gecorrigeerd voor de energierelaxatietijd van de qubit, stijgt de betrouwbaarheid tot 92,7%.
"Met kleine aanpassingen zouden we kunnen verwachten dat bolometers in 200 nanoseconden de gewenste 99,9% single-shot-getrouwheid zullen benaderen. We kunnen bijvoorbeeld het bolometermateriaal omwisselen van metaal naar grafeen, dat een lagere warmtecapaciteit heeft en zeer kleine veranderingen kan detecteren En door andere onnodige componenten tussen de bolometer en de chip zelf te verwijderen, kunnen we niet alleen nog grotere verbeteringen aanbrengen in de uitleesgetrouwheid, maar kunnen we ook een kleiner en eenvoudiger meetapparaat realiseren dat opschaling naar hogere qubits mogelijk maakt. is haalbaarder', zegt András Gunyhó, de eerste auteur van het artikel en doctoraal onderzoeker in de QCD-groep.
Voordat de QCD-onderzoeksgroep in hun meest recente artikel de hoge single-shot uitleesnauwkeurigheid van bolometers aantoonde, toonde ze in 2019 voor het eerst aan dat bolometers kunnen worden gebruikt voor ultragevoelige, realtime microgolfmetingen. Vervolgens publiceerden ze in 2020 een artikel in Natuur laat zien hoe bolometers gemaakt van grafeen de uitleestijd kunnen verkorten tot ruim onder een microseconde.
Het werk werd uitgevoerd in het Centre of Excellence for Quantum Technology (QTF) van de Research Council of Finland, waarbij gebruik werd gemaakt van de OtaNano-onderzoeksinfrastructuur in samenwerking met het VTT Technical Research Centre of Finland en IQM Quantum Computers.