Οι φυσικοί στο Aalto University και στο VTT Technical Research Centre of Finland έχουν αναπτύξει έναν νέο ανιχνευτή-βολόμετρο για τη μέτρηση της κβαντικής ενέργειας σε πρωτοφανή ανάλυση. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να βοηθήσει να φέρει τον κβαντικό υπολογισμό από το εργαστήριο και σε πραγματικές εφαρμογές. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στα τέλη Σεπτέμβρη στο περιοδικό Nature.
Ο τύπος του ανιχνευτή στην οποία εργάζεται η ομάδα ονομάζεται βολόμετρο, το οποίο μετρά την ενέργεια της εισερχόμενης ακτινοβολίας μετρώντας πόσο θερμαίνει τον ανιχνευτή. Ο όμιλος Quantum Computing and Devices του καθηγητή Mikko Möttönen στο Aalto ανέπτυξε την τεχνογνωσία του στα βολόμετρα για την κβαντική πληροφορική κατά την τελευταία δεκαετία και τώρα έχει αναπτύξει μια συσκευή που μπορεί να ταιριάξει με τους τρέχοντες τελευταίας τεχνολογίας ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται σε κβαντικούς υπολογιστές.
«Είναι καταπληκτικό το πώς καταφέραμε να βελτιώσουμε τις προδιαγραφές του βολόμετρου μας κάθε χρόνο και τώρα ξεκινάμε ένα συναρπαστικό ταξίδι στον κόσμο των κβαντικών συσκευών», λέει ο Möttönen.
Η μέτρηση της ενέργειας των qubits βρίσκεται στο επίκεντρο του τρόπου λειτουργίας των κβαντικών υπολογιστών. Οι περισσότεροι κβαντικοί υπολογιστές μετρούν επί του παρόντος την ενεργειακή κατάσταση ενός qubit μετρώντας την τάση που προκαλείται από το qubit. Ωστόσο, υπάρχουν τρία προβλήματα με τις μετρήσεις τάσης: πρώτον, η μέτρηση της τάσης απαιτεί εκτεταμένα κυκλώματα ενίσχυσης, τα οποία μπορεί να περιορίσουν την επεκτασιμότητα του κβαντικού υπολογιστή. Δεύτερον, αυτό το κύκλωμα καταναλώνει πολλή ισχύ. Και τρίτον, οι μετρήσεις τάσης φέρουν κβαντικό θόρυβο που εισάγει σφάλματα στην ανάγνωση qubit. Οι ερευνητές κβαντικών υπολογιστών ελπίζουν ότι με τη χρήση βολόμετρων για τη μέτρηση της ενέργειας qubit, μπορούν να ξεπεράσουν όλες αυτές τις επιπλοκές, και τώρα η ομάδα του καθηγητή Möttönen έχει αναπτύξει μια αρκετά γρήγορη και αρκετά ευαίσθητη για τη δουλειά.
«Τα βολόμετρα εισέρχονται τώρα στον τομέα της κβαντικής τεχνολογίας και ίσως η πρώτη τους εφαρμογή θα μπορούσε να είναι η ανάγνωση των κβαντικών πληροφοριών από τα qubits. Η ταχύτητα και η ακρίβεια του βολόμετρου φαίνεται τώρα σωστά για αυτό», λέει ο καθηγητής Möttönen.
Η ομάδα είχε προηγουμένως παράγει ένα βολόμετρο κατασκευασμένο από κράμα χρυσού-παλλαδίου με απαράμιλλη χαμηλή στάθμη θορύβου στις μετρήσεις της, αλλά ήταν ακόμα πολύ αργή για να μετρήσει τα qubits σε κβαντικούς υπολογιστές. Η σημαντική ανακάλυψη σε αυτό το νέο έργο επιτεύχθηκε με την εναλλαγή από την κατασκευή του βολομέτρου από κράματα χρυσού-παλλαδίου έως την παραγωγή τους από γραφένιο. Για να γίνει αυτό, συνεργάστηκαν με την ομάδα NANO του καθηγητή Pertti Hakonen – επίσης στο Πανεπιστήμιο Aalto – που έχουν εμπειρία στην κατασκευή συσκευών με βάση γραφένιο. Το Graphene έχει πολύ χαμηλή θερμική ικανότητα, πράγμα που σημαίνει ότι είναι δυνατόν να εντοπίσουμε πολύ μικρές αλλαγές στην ενέργειά του γρήγορα. Αυτή η ταχύτητα στην ανίχνευση των ενεργειακών διαφορών το καθιστά ιδανικό για ένα βολόμετρο με εφαρμογές στη μέτρηση qubits και άλλα πειραματικά κβαντικά συστήματα. Ανταλλάσσοντας το γραφένιο, οι ερευνητές παρήγαγαν ένα βολόμετρο που μπορεί να κάνει μετρήσεις πολύ κάτω από ένα μικροδευτερόλεπτο, τόσο γρήγορα όσο η τεχνολογία που χρησιμοποιείται σήμερα για τη μέτρηση των qubits.
«Η αλλαγή σε γραφένιο αύξησε την ταχύτητα του ανιχνευτή κατά 100 φορές, ενώ το επίπεδο θορύβου παρέμεινε το ίδιο. Μετά από αυτά τα αρχικά αποτελέσματα, υπάρχει ακόμα πολλή βελτιστοποίηση που μπορούμε να κάνουμε για να κάνουμε τη συσκευή ακόμα καλύτερη», λέει ο καθηγητής Hakonen.
Τώρα που τα νέα βολόμετρα μπορούν να ανταγωνιστούν την ταχύτητα, η ελπίδα είναι να αξιοποιήσουμε τα άλλα πλεονεκτήματα που έχουν τα βολόμετρα στην κβαντική τεχνολογία. Ενώ τα βολόμετρα που αναφέρονται στην τρέχουσα εργασία αποδίδουν στο ίδιο επίπεδο με τις τρέχουσες μετρήσεις τάσης τελευταίας τεχνολογίας, τα μελλοντικά βολόμετρα έχουν τη δυνατότητα να τα ξεπεράσουν. Η τρέχουσα τεχνολογία περιορίζεται από την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg: οι μετρήσεις τάσης θα έχουν πάντα κβαντικό θόρυβο, αλλά τα βολόμετρα δεν το κάνουν. Αυτή η υψηλότερη θεωρητική ακρίβεια, σε συνδυασμό με τις χαμηλότερες ενεργειακές απαιτήσεις και το μικρότερο μέγεθος – το νιφάδες γραφενίου μπορεί να χωρέσει άνετα μέσα σε ένα μόνο βακτήριο – σημαίνει ότι τα βολόμετρα είναι μια συναρπαστική νέα ιδέα συσκευής για τον κβαντικό υπολογισμό.
Τα επόμενα βήματα για την έρευνά τους είναι να επιλύσουν τα μικρότερα πακέτα ενέργειας που παρατηρήθηκαν ποτέ χρησιμοποιώντας βολόμετρα σε πραγματικό χρόνο και να χρησιμοποιήσουν το βολόμετρο για τη μέτρηση των κβαντικών ιδιοτήτων των φωτονίων μικροκυμάτων, τα οποία όχι μόνο έχουν συναρπαστικές εφαρμογές σε κβαντικές τεχνολογίες όπως η πληροφορική και οι επικοινωνίες, αλλά και στη θεμελιώδη κατανόηση της κβαντικής φυσικής.
Πολλοί από τους επιστήμονες που εμπλέκονται στους ερευνητές εργάζονται επίσης στην IQM, μια από τις αναπτυσσόμενες τεχνολογίες του Aalto University για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών. “Το IQM αναζητά συνεχώς νέους τρόπους για να βελτιώσει την τεχνολογία κβαντικών υπολογιστών και αυτό το νέο βολόμετρο σίγουρα ταιριάζει στο λογαριασμό”, εξηγεί ο Δρ. Kuan Yen Tan, συνιδρυτής της IQM που συμμετείχε επίσης στην έρευνα.
Επιστημονικό Άρθρο:
R. Kokkoniemi, J.-P. Girard, D. Hazra, A. Laitinen, J. Govenius, R. E. Lake, I. Sallinen, V. Vesterinen, M. Partanen, J. Y. Tan, K. W. Chan, K. Y. Tan, P. Hakonen, M. Möttönen. Bolometer operating at the threshold for circuit quantum electrodynamics. Nature, 2020.
