Foto: Aleksandr Käkinen/Univerzita Aalto/Zdroj z tiskové zprávy

Honba za stále vyšším počtem qubitů v krátkodobých kvantových počítačích neustále vyžaduje nové inženýrské výkony. Mezi problematické překážky tohoto závodu na vzestupu patří vylepšování způsobu měření qubitů.

K provádění těchto měření se tradičně používají zařízení nazývaná parametrické zesilovače. Ale jak název napovídá, zařízení zesiluje slabé signály zachycené z qubitů, aby provedlo čtení, což způsobuje nežádoucí šum a může vést k dekoherenci qubitů, pokud není chráněno dalšími velkými součástmi. Ještě důležitější je, že objemná velikost zesilovacího řetězce se stává technicky náročným, protože se zvyšuje počet qubitů v chladničkách s omezenou velikostí.

Nová metoda měření

K nelibosti mnoha fyziků Heisenbergův princip neurčitosti určuje, že nelze současně přesně znát polohu a hybnost signálu nebo napětí a proud. Tak je tomu u qubitových měření prováděných s parametrickými napěťově-proudovými zesilovači. Ale bolometrické snímání energie je zásadně odlišný druh měření, sloužící jako prostředek k vyhnutí se Heisenbergově nechvalně známému pravidlu. Vzhledem k tomu, že bolometr měří výkon neboli počet fotonů, není vázán přidávat kvantový šum pramenící z Heisenbergova principu neurčitosti tak, jako to dělají parametrické zesilovače.

Na rozdíl od zesilovačů bolometry velmi jemně snímají mikrovlnné fotony emitované z qubitu prostřednictvím minimálně invazivního detekčního rozhraní. Tento tvarový faktor je zhruba 100krát menší než jeho protějšek zesilovače, díky čemuž je mimořádně atraktivní jako měřicí zařízení.

„Když uvažujeme o nejvyšší kvantové budoucnosti, je snadné si představit, že by vysoké počty qubitů v tisících nebo dokonce milionech mohly být běžné. Pečlivé vyhodnocení půdorysu každé součásti je pro toto masivní zvětšení naprosto nezbytné.

„S drobnými úpravami bychom mohli očekávat, že bolometry budou dosahovat požadované 99,9% přesnosti jednorázového záběru za 200 nanosekund. Můžeme například vyměnit materiál bolometru z kovu na grafen, který má nižší tepelnou kapacitu a dokáže rychle detekovat velmi malé změny ve své energii. A odstraněním dalších nepotřebných součástí mezi bolometrem a samotným čipem můžeme nejen dosáhnout ještě většího zlepšení věrnosti odečtu, ale můžeme dosáhnout menšího a jednoduššího měřicího zařízení, díky kterému je škálování na vyšší počty qubitů proveditelnější,“ říká András Gunyhó, první autor článku a doktorandský výzkumník ve skupině QCD.

Než výzkumná skupina QCD ve svém nejnovějším článku prokázala vysokou věrnost jednorázového čtení bolometrů, v roce 2019 nejprve ukázala, že bolometry lze použít pro ultracitlivá mikrovlnná měření v reálném čase. V roce 2020 pak zveřejnili článek ukazující jak bolometry vyrobené z grafenu dokážou zkrátit časy čtení hluboko pod mikrosekundu.

Práce byla provedena ve Finském výzkumném centru excelence pro kvantové technologie (QTF) s využitím výzkumné infrastruktury OtaNano ve spolupráci s VTT Technical Research Centre of Finland a IQM Quantum Computers.

Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS,  výzkum naleznete v odborném časopise Nature doi.org/10.1038/s41928-024-01147-7 (2024).