量子科學家精確測量的功率水平比平時低 1 萬億倍

硅芯片上的功率傳感器的圖像。

芬蘭的科學家開發了一種納米設備,可以在超低溫下測量微波輻射的絕對功率,低至飛瓦級 - 比可驗證功率測量中常規使用的尺度低數萬億倍。該設備有可能顯著推進量子技術中的微波測量。

量子科學主要在超低溫下使用稱為稀釋冰箱的設備進行。實驗還必須在微小的能級下進行 - 低至單光子的能級甚至更低。研究人員必須儘可能準確地測量這些極低的能量水平,這意味著還要考慮熱量 - 這是量子設備的一個持續問題。

為了在量子實驗中測量熱量,科學家使用了一種稱為輻射熱計的特殊類型的溫度計。阿爾託大學最近由阿爾託和VTT量子技術副教授Mikko Möttönen領導的團隊開發了一種非常精確的輻射熱計,但該設備的不確定性比他們希望的要大。雖然它使他們能夠觀察相對功率水平,但他們無法非常準確地確定絕對能量。

在這項新研究中,Möttönen的團隊與量子技術公司Bluefors和IQM以及芬蘭VTT技術研究中心的研究人員合作改進了輻射熱計。這項工作於今天(25月<>日)作為《科學儀器評論》的編輯精選發表。

“我們在輻射熱計上增加了一個加熱器,因此我們可以施加已知的加熱器電流並測量電壓。由於我們知道輸入加熱器的精確功率,因此我們可以根據加熱器功率校準輸入輻射的功率。結果是一個在低溫下工作的自校準輻射熱計,這使我們能夠在低溫下準確測量絕對功率,“Möttönen說。

根據Bluefors量子應用總監Russell Lake的說法,新的輻射熱計是測量微波功率的重要一步。

“商用功率傳感器通常以一毫瓦的尺度測量功率。該輻射熱計在一飛瓦或以下準確可靠地做到這一點。這比典型功率校準中使用的功率低一萬億倍。

覆蓋深部和寬範圍

Möttönen解釋說,新的輻射熱計可以提高量子計算機的性能。“為了獲得準確的結果,用於控制量子比特的測量線應該處於非常低的溫度下,[去]沒有任何熱光子和過量的輻射。現在有了這個輻射熱計,我們實際上可以在不受量子比特電路干擾的情況下測量輻射溫度,“他說。

輻射熱計還涵蓋廣泛的頻率範圍。

“傳感器是寬帶的,這意味著它可以測量各種頻率吸收的功率。這在量子技術中不是給定的,因為通常傳感器僅限於非常窄的頻段,“Bluefors的科學家Jean-Philippe Girard說,他之前也在阿爾託工作過該設備。

該團隊表示,輻射熱計為量子技術領域提供了重大推動力。

“測量微波發生在無線通信、雷達技術和許多其他領域。他們有執行精確測量的方法,但是在測量量子技術非常微弱的微波信號時,沒有辦法做同樣的事情。輻射熱計是一種先進的診斷儀器,到目前為止,量子技術工具箱中一直缺少它,“Lake說。

這項工作是阿爾託大學和Bluefors之間無縫合作的結果,是學術界和工業界相互補充的完美典範。該設備由阿爾託的量子計算和設備(QCD)小組開發,該小組是芬蘭科學院量子技術卓越中心(QTF)的一部分。他們使用了屬於國家研究基礎設施OtaNano的Micronova潔淨室。自從在阿爾託進行第一次實驗以來,Bluefors也在自己的工業設施中成功地測試了這些設備。

“這表明,這不僅僅是大學實驗室的幸運休息,而是從事量子技術工作的工業和學術專業人士都可以從中受益,”Möttönen說。

更多信息:J.-P. Girard 等人,實現寬帶和可追溯功率測量的低溫傳感器,《科學儀器評論》(2023 年)。DOI: 10.1063/5.0143761

期刊信息:科學儀器綜述

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