Новый прорыв в создании графеновых болометров приближает эру квантовых вычислений

Физики из Университета Аалто и Центра технических исследований Финляндии VTT разработали новый детектор для измерения квантов энергии с беспрецедентным разрешением. Это открытие может помочь вывести квантовые вычисления из лаборатории в реальные приложения.

Болометры - это устройства, измеряющие мощность падающего электромагнитного излучения в результате нагрева материалов и определяют зависимость электрического сопротивления от температуры. Эти инструменты являются одними из самых чувствительных детекторов, используемых до сих пор для обнаружения инфракрасного излучения, и являются ключевыми инструментами для приложений, которые варьируются от расширенных тепловизионных изображений, ночного видения, инфракрасной спектроскопии до наблюдательной астрономии и конечно же квантовых компьютеров.

Схема болометра на основе графена. Используя графен, исследователи создали устройство, которое может производить измерения за время порядка 200 наносекунд, что на порядки меньше времени когерентности современных сверхпроводящих квантовых систем. Более то-го, у графенового болометра рекордная чувствительность, а шумовая мощность составила 30 зептоватт на квадратный корень герца. R. Kokkoniemi, et al. / Nature, 2020

Несмотря на то, что они зарекомендовали себя как отличные датчики для конкретного диапазона излучения, проблема заключается в достижении высокой чувствительности, быстрого времени отклика и сильного поглощения света, что не всегда удавалось достигать одновременно. Было проведено множество исследований, чтобы получить эти болометры с более высокой чувствительностью, пытаясь уменьшить размер детектора и, таким образом, увеличить тепловой отклик. При этом было обнаружено, что графен является отличным вариантом для этого. Научными исследованиями установлено, что графеновые болометры могут существенно расширить возможности квантовых технологий.

Именно над таким типом детектора работает команда ученых Университета Аалто и Центра технических исследований Финляндии VTT, который определяет входящее излучение, измеряя, насколько нагревается детектор. Группа профессора Микко Мёттёнена по квантовым вычислениям и устройствам в течение последнего десятилетия развивала научное направление в области болометров для квантовых вычислений и теперь разработала устройство, которое может соответствовать современным детекторам, используемым в квантовых компьютерах.

Болометры могут измерить энергию кубитов

Болометр можно использовать для измерения мощности электромагнитного излучения: при попадании излучения прибор нагревается, в результате чего меняется его электрическое со-противление. Художественное изображение графенового болометра, управляемого электриче-ским полем. Предоставлено: Хейкка Валя, CC BY 4.0.

Болометры сейчас входят в сферу квантовой технологии, и, возможно, их первое применение может заключаться в считывании квантовой информации с кубитов, поскольку скорость и точность болометра подходят для этого.

Измерение энергии кубитов лежит в основе работы квантовых компьютеров. Большинство квантовых компьютеров в настоящее время измеряют энергетическое состояние кубита путем измерения напряжения, индуцированного кубитом. Однако при измерении напряжения возникают три проблемы: во-первых, для измерения напряжения требуется обширная схема усиления, которая может ограничивать масштабируемость квантового компьютера; во-вторых, эта схема потребляет много энергии; и, в-третьих, измерения напряжения содержат квантовый шум, который вносит ошибки в считывание кубита.

Исследователи квантовых компьютеров надеются, что, используя болометры для измерения энергии кубита, они смогут преодолеть все эти сложности, и теперь ученые разработали такой болометр, который является достаточно быстрым и достаточно чувствительным для этой работы. Разработанный быстрый и сверхчувствительный наноразмерный болометр обнаруживает очень слабое микроволновое излучение. Фактически, обнаруженное излучение настолько слабое, что нагревание чашки кофе при комнатной температуре на 1 °C в микроволновой печи потребовало бы в 50 септиллионов раз больше энергии. Это 5 с 25 нулями!

Художественное впечатление от эффекта близости электропроводности и сверхпроводника в нагретом графеновом болометре. Новый высокоскоростной наноразмерный детектор излучения сейчас находится на одном уровне с лучшими считывающими устройствами для квантовых компьютеров. Предоставлено: Хейкка Валя

Новый болометр может измерять энергию фотонов намного точнее и быстрее, чем раньше. Это важно для квантовых компьютеров, поскольку измерение энергии кубитов, квантовых битов, является неотъемлемой частью квантовых алгоритмов. Кроме того, устройство имеет небольшие размеры и легко интегрируется в сверхпроводящие квантовые процессоры, обеспечивая четкий путь к реальным приложениям.

Вместо сплава золота и палладия - графен

Команда ученых ранее изготовила болометр из сплава золота и палладия с беспрецедентно низким уровнем шума в его измерениях, но он все еще был слишком медленным для измерения кубитов в квантовых компьютерах. Прорыв в этой новой работе был достигнут благодаря замене изготовления болометра из сплавов золота и палладия на изготовление их из графена.

Графен имеет очень низкую теплоемкость, а это означает, что можно быстро обнаружить очень небольшие изменения его энергии. Именно такая скорость обнаружения разницы энергий делает его идеальным для болометра с приложениями для измерения кубитов и других экспериментальных квантовых систем. Перейдя на графен, исследователи создали болометр, который может производить измерения за микросекунду.

Кубиты чувствительны и в настоящее время хранят квантовую информацию менее миллисе-кунды за раз, даже если они хранятся в замороженном состоянии при температурах ниже тем-ной стороны Луны. Чтобы извлечь любую полезную информацию, метод, считывающий информацию из кубитов, должен занимать как можно меньше времени и допускать как можно меньше ошибок. Художественное изображение от считывания кубита (синего чипа) с использованием квантовых состояний резонатора (синяя и красная струи). Изображение предоставлено Хейккой Валя.

Переход на графен увеличил скорость детектора в 100 раз, при этом уровень шума остался прежним. После этих первоначальных результатов ученым предстоит еще много работы по оптимизации, чтобы сделать устройство еще лучше.

Теперь, когда новые болометры могут составить конкуренцию, когда дело доходит до скорости, есть надежда использовать другие преимущества, которые болометры имеют в квантовой технологии. В то время как болометры, о которых сообщается ныне, работают на одном уровне с современными измерениями напряжения, будущие болометры могут превзойти их. Современные технологии ограничены принципом неопределенности Гейзенберга: измерения напряжения всегда будут иметь квантовый шум, а болометры - нет. Эта более высокая теоретическая точность в сочетании с более низким энергопотреблением и меньшим размером - чешуйка графена может удобно поместиться внутри одной бактерии - означает, что болометры представляют собой захватывающую новую концепцию устройства для квантовых вычислений.

Рассматривая инфракрасный диапазон, несколько экспериментов показали, что, если взять лист графена и поместить его между двумя слоями сверхпроводящего материала, чтобы со-здать джозефсоновский переход, можно получить устройство для детектора одиночных фо-тонов. При низких температурах и в отсутствие фотонов через устройство протекает сверхпроводящий ток. Когда одиночный инфракрасный фотон проходит через детектор, выде-ляемого тепла достаточно, чтобы нагреть графен, который изменяет джозефсоновский пе-реход так, что не может течь сверхпроводящий ток. Таким образом, можно фактически обна-ружить фотоны, проходящие через устройство, измеряя ток. Это можно сделать в основном потому, что графен имеет незначительную электронную теплоемкость. Это означает, что детектор обеспечивает очень быстрое время отклика и высокую чувствительность

В квантовых компьютерах, таких как разработанные в IQM, эта технология детекторов может оказаться очень полезной для замены обычных считывающих устройств и обеспечения возможности масштабирования будущих квантовых процессоров из-за своего относительно небольшого размера.

Следующим шагом в их исследованиях будет определение самых маленьких энергетических пакетов, когда-либо наблюдавшихся с помощью болометров в режиме реального времени, и использование болометра для измерения квантовых свойств микроволновых фотонов, которые имеют не только широкое применение в квантовых технологиях, таких как вычисления и связь, но также и в фундаментальном понимании квантовой физики.