Измерение чрезвычайно низкой мощности

Квантовая наука осуществляется в основном при сверхнизких температурах с использованием устройств, называемых холодильниками для разбавления. Эксперименты также должны проводиться на крошечных энергетических уровнях - вплоть до уровня энергии одиночных фотонов или даже меньше. Исследователи должны измерять эти чрезвычайно низкие уровни энергии настолько точно, насколько это возможно, что означает также учет тепла - постоянная проблема для квантовых устройств.

Для измерения тепла в квантовых экспериментах ученые используют специальный тип термометра, называемый болометром. Исключительно точный болометр был недавно разработан в Аалто командой, возглавляемой Микко Меттененом, доцентом квантовых технологий в Аалто и VTT, но в устройстве было больше неопределенности, чем они надеялись. Хотя это позволило им наблюдать относительный уровень мощности, они не смогли очень точно определить абсолютное количество энергии.

В новом исследовании команда Меттенена работала с исследователями из компаний, занимающихся квантовыми технологиями Bluefors и IQM, а также Финского центра технических исследований VTT над усовершенствованием болометра.

"Мы добавили нагреватель к болометру, так что мы можем подать известный ток нагревателя и измерить напряжение. Поскольку мы знаем точное количество энергии, которое мы вкладываем в нагреватель, мы можем откалибровать мощность входного излучения в зависимости от мощности нагревателя. Результатом является самокалибрующийся болометр, работающий при низких температурах, который позволяет нам точно измерять абсолютную мощность при криогенных температурах", - говорит Меттенен.

По словам Рассела Лейка, директора по квантовым приложениям Bluefors, новый болометр является значительным шагом вперед в измерении мощности микроволнового излучения.

"Коммерческие датчики мощности обычно измеряют мощность в масштабе одного милливатта. Этот болометр делает это точно и надежно при мощности в один фемтоватт или ниже. Это в триллион раз меньше мощности, чем используется при обычной калибровке мощности.'

Покрывающий как глубокие, так и широкие чешуйки

Меттенен объясняет, что новый болометр может повысить производительность квантовых компьютеров. "Для получения точных результатов измерительные линии, используемые для контроля кубитов, должны находиться при очень низких температурах, без каких-либо тепловых фотонов и избыточного излучения. Теперь с помощью этого болометра мы действительно можем измерить температуру излучения без вмешательства схемы кубита", - говорит он.

Болометр также охватывает очень широкий диапазон частот.

"Датчик является широкополосным, что означает, что он может измерять мощность, поглощаемую на различных частотах. В квантовых технологиях это не является чем-то само собой разумеющимся, поскольку обычно датчики ограничены очень узким диапазоном", - говорит Жан-Филипп Жирар, ученый из Bluefors, который также ранее работал над устройством в Aalto.

Команда говорит, что болометр дает значительный толчок развитию квантовых технологий.

"Измерение микроволн используется в беспроводной связи, радиолокационных технологиях и многих других областях. У них есть свои способы выполнения точных измерений, но не было возможности сделать то же самое при измерении очень слабых микроволновых сигналов для квантовых технологий. Болометр - это продвинутый диагностический прибор, которого до сих пор не было в арсенале квантовых технологий", - говорит Лейк.

Эта работа является результатом тесного сотрудничества между Университетом Аалто и Bluefors, прекрасным примером того, как академия и промышленность дополняют сильные стороны друг друга. Устройство было разработано в группе квантовых вычислений и устройств Aalto (QCD), которая является частью Центра передового опыта в области квантовых технологий Академии Финляндии (QTF). Они использовали чистые помещения Micronova, принадлежащие национальной исследовательской инфраструктуре OtaNano. Начиная с первых экспериментов в Aalto, Bluefors также успешно протестировала эти устройства на своих собственных промышленных предприятиях.

"Это показывает, что это не просто удачный случай в университетской лаборатории, а нечто такое, от чего могут извлечь выгоду как промышленные, так и академические специалисты, работающие в области квантовых технологий", - говорит Меттонен.