Bolometrit kubitteja mittaamaan

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet bolometritekniikkaansa nyt niin pitkälle, että he ovat mittailleet ensimmäisinä maailmassa kubitteja äärimmäisen herkillä lämpöilmaisimilla eli bolometreilla.

Saavutuksen tekee kiinnostavaksi se, että mittaustapa mahdollistaa kvanttitietokoneiden entistä suuremmat kubittimäärät

Jotta kvanttitietokoneista saadaan joskus aiempaa tehokkaampia, niihin tarvitaan yhä tarkempia ja suurempia määriä kubitteja. Tämä puolestaan vaatii jatkuvasti uusia teknologisia läpimurtoja.

Perinteisesti kubittien luennan mittauksiin on käytetty Josephson-liitoksisia tai mikroaaltoisia parametrivahvistimia. Vahvistus kuitenkin aiheuttaa mittaustulosta häiritsevää kohinaa ja voi myös johtaa kubittien dekoherenssiin. Lisäksi vahvistimet vaativat erilaisia suojauksen lisäosia jotka kubittimäärien kasvua tavoiteltaessa ovat haitaksi erittäin alhaisissa lämpötiloissa toimiville kubittijärjestelmille.

Edelleen Heisenbergin epätarkkuusperiaate määrää, ettei hiukkasen paikkaa ja vauhtia tai signaalin jännitettä ja virtaa, voida samanaikaisesti tarkasti määrittää. Tämä pätee myös kubittien mittaamiseen jännite-virta-vahvistimilla. Sen sijaan bolometreilla tehtävä lämpösäteilyn havainnointi on hyvin erilainen mittaustapa, ja on myös keino kiertää Heisenbergin epätarkkuusperiaate.

Toisin kuin vahvistimet, bolometri lukee säteilyä sen perusteella, miten säteilyn lämpöenergia vaikuttaa siihen. Bolometri on myös kooltaan noin sata kertaa pienempi kuin mittauksiin käytettävät vahvistimet.

Täten Aallon tutkijat uskovat, että kehitetyt nanobolometrit ovat varteenotettava vaihtoehto perinteisille vahvistimille. Aivan ensimmäisissä kokeissa havaittiin, että bolometrit antavat riittävän tarkkoja kertalukemia, niissä ei ole kvanttikohinaa, ja ne kuluttavat 10 000 kertaa vähemmän energiaa vahvistimiin verrattuna.

Ja tämä kaikki pikkuruisessa bolometrissa, jonka lämpösäteilyyn reagoiva osa mahtuisi yhden bakteerin sisään”, hehkuttaa QCD-tutkimusryhmää johtava professori Mikko Möttönen.

Kokeissaan tutkimusryhmä saavutti 61,8 prosentin tarkkuuden, kun lukemisen kesto oli 14 mikrosekuntia. Kun kubitin energian relaksaatioajasta koituva virhe poistettiin, lukeman tarkkuus nousi jo 92,7 prosenttiin.

“Uskomme, että vain pienillä muutoksilla bolometrit saavuttavat halutun 99,9 prosentin tarkkuuden 200 nanosekunnin mittausnopeudella. Voimme esimerkiksi korvata bolometrin materiaalin metallista grafeeniin, jonka lämpökapasiteetti on pieni, ja se pystyy havaitsemaan heikostakin signaalista hyvin pienet energiamuutokset nopeasti. Ja poistamalla tarpeettomia osia bolometrin ja piirin väliltä emme vain paranna lukutarkkuutta, vaan saamme myös aikaan pienemmän ja yksinkertaisemman mittalaitteen. Näin kubittien määrää on mahdollista kasvattaa”, sanoo András Gunyhó QCD-ryhmästä.

Aiheesta aiemmin:

Femtoskaalan mittauksia

Nopeita ja herkkiä grafeenibolometrejä

Yhä tarkempia kvanttibittejä