Jakten på allt högre antal qubitar i kvantdatorer på kort sikt kräver ständigt nya tekniska prestationer.
Ett av de besvärliga hindren i detta uppskalningsrace är att förfina hur qubits mäts. Traditionellt används enheter som kallas parametriska förstärkare för att göra dessa mätningar. Men som namnet antyder förstärker enheten svaga signaler från kvantbitarna för att utföra avläsningen, vilket orsakar oönskat brus och kan leda till dekoherens hos kvantbitarna om de inte skyddas av ytterligare stora komponenter. Ännu viktigare är att den skrymmande storleken på förstärkningskedjan blir en teknisk utmaning att hantera när antalet qubitar ökar i kylskåp med begränsad storlek.
Aalto-universitetets forskargrupp Quantum Computing and Devices (QCD) har fått upp ögonen för detta. De har tidigare visat hur termiska bolometrar kan användas som ultrakänsliga detektorer, och de har nu i en artikel i Nature Electronics visat att bolometermätningar kan vara tillräckligt noggranna för avläsning av enstaka qubitar.
En ny metod för mätning
Till många fysikers förtret innebär Heisenbergs osäkerhetsprincip att man inte samtidigt kan känna till en signals position och rörelsemängd, eller spänning och ström, med exakthet. Så är det också med qubit-mätningar som utförs med parametriska spänningsströmförstärkare.
Men bolometrisk energimätning är en fundamentalt annorlunda typ av mätning, som fungerar som ett sätt att kringgå Heisenbergs ökända regel. Eftersom en bolometer mäter effekt, eller antalet fotoner, är den inte bunden till kvantbrus som härrör från Heisenbergs osäkerhetsprincip på det sätt som parametriska förstärkare är.
Till skillnad från förstärkare känner bolometrar mycket subtilt av mikrovågsfotoner som sänds ut från kvantbitarna via ett minimalt invasivt detekteringsgränssnitt. Denna formfaktor är ungefär 100 gånger mindre än motsvarande förstärkare, vilket gör den extremt attraktiv som mätinstrument.
”När man tänker på en framtid med kvantmekanik i toppklass är det lätt att föreställa sig att höga antal qubitar i tusental eller till och med miljoner skulle kunna bli vardagsmat. En noggrann utvärdering av varje komponents fotavtryck är absolut nödvändig för denna massiva uppskalning. Vi har i artikeln i Nature Electronics visat att våra nanobolometrar på allvar kan betraktas som ett alternativ till konventionella förstärkare”, säger professor Mikko Möttönen vid Aalto-universitetet, som leder QCD-forskningsgruppen.
”I våra allra första experiment fann vi att dessa bolometrar var tillräckligt noggranna för single shot-avläsning, fria från kvantbrus och att de förbrukar 10 000 gånger mindre ström än vanliga förstärkare – allt i en liten bolometer, vars temperaturkänsliga del får plats inuti en enda bakterie”, fortsätter professor Möttönen.
Single-shot fidelity är ett viktigt mått som fysiker använder för att avgöra hur exakt en enhet kan detektera en qubits tillstånd i bara en mätning i motsats till ett genomsnitt av flera mätningar. I fallet med QCD-gruppens experiment kunde de uppnå en single-shot fidelity på 61,8% med en avläsningstid på ungefär 14 mikrosekunder. När man korrigerar för qubitens energiavslappningstid ökar tillförlitligheten till 92,7 %.
”Med mindre modifieringar kan vi förvänta oss att bolometrar närmar sig den önskade 99,9% single-shot-fideliteten på 200 nanosekunder. Vi kan till exempel byta ut bolometermaterialet från metall till grafen, som har en lägre värmekapacitet och snabbt kan upptäcka mycket små förändringar i sin energi. Och genom att ta bort andra onödiga komponenter mellan bolometern och själva chipet kan vi inte bara göra ännu större förbättringar av avläsningstrogenheten, utan vi kan också uppnå en mindre och enklare mätanordning som gör det lättare att skala upp till högre antal qubitar”, säger András Gunyhó, första författare till artikeln och doktorandforskare i QCD-gruppen.
Innan forskargruppen QCD visade bolometrarnas höga avläsningstrohet för enstaka skott i sin senaste artikel, visade de först att bolometrar kan användas för ultrakänsliga mikrovågsmätningar i realtid under 2019. Under 2020 publicerade de sedan en artikel i Nature som visar hur bolometrar tillverkade av grafen kan förkorta avläsningstiderna till långt under en mikrosekund.
Arbetet utfördes vid Finlands forskningsråds spetsforskningsenhet för kvantteknologi (QTF) med hjälp av OtaNanos forskningsinfrastruktur i samarbete med VTT Technical Research Centre of Finland och IQM Quantum Computers.
Ytterligare information: András M. Gunyhó, Single-Shot Readout of a Superconducting Qubit Using a Thermal Detector, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01147-7
