Das Team ist das erste, das Qubits mit hochempfindlichen thermischen Detektoren misst und dabei das Heisenbergsche Unschärfeprinzip vermeidet

Das Streben nach einer immer höheren Anzahl von Qubits in Quantencomputern erfordert in naher Zukunft ständig neue technische Leistungen.

Eine der großen Hürden in diesem Wettlauf um die Skalierung besteht darin, die Messung von Qubits zu verfeinern. Für diese Messungen werden traditionell Geräte verwendet, die als parametrische Verstärker bezeichnet werden. Aber wie der Name schon sagt, verstärkt das Gerät schwache Signale, die von den Qubits aufgenommen werden, um das Auslesen durchzuführen, was unerwünschtes Rauschen verursacht und zu Qubit-Dekohärenz führen kann, wenn es nicht durch besonders große Schutzkomponenten geschützt wird. Noch wichtiger ist, dass die sperrige Größe der Verstärkerkette technisch schwer zu umgehen ist, wenn die Anzahl der Qubits in Kühlschränken mit begrenzter Größe zunimmt.

Stichwort: Forschungsgruppe Quantum Computing and Devices (QCD) der Aalto University. Sie haben sich bewährt, indem sie gezeigt haben, wie thermische Bolometer als hochempfindliche Detektoren eingesetzt werden können, und sie haben es nun in einem demonstriert Natürliche Elektronik Veröffentlichung, dass Bolometermessungen präzise genug sein können, um eine Einzelschuss-Qubit-Messung zu ermöglichen.

Eine neue Messmethode

Zum Entsetzen vieler Physiker stellt Heisenbergs Unschärferelation fest, dass es unmöglich ist, gleichzeitig die Position und den Impuls eines Signals oder seine Spannung und seinen Strom genau zu kennen. Das Gleiche gilt für Qubit-Messungen mit parametrischen Spannungs-Strom-Verstärkern.

Doch die bolometrische Energiedetektion ist eine grundlegend andere Art der Messung: Sie dient der Umgehung der berühmten Heisenberg-Regel. Da ein Bolometer die Leistung oder die Anzahl der Photonen misst, ist es nicht erforderlich, Quantenrauschen aus der Heisenbergschen Unschärferelation hinzuzufügen, wie dies bei parametrischen Verstärkern der Fall ist.

Im Gegensatz zu Verstärkern erfassen Bolometer die vom Qubit emittierten Mikrowellenphotonen sehr subtil über eine minimalinvasive Detektionsschnittstelle. Dieser Formfaktor ist etwa 100-mal kleiner als sein Verstärker-Gegenstück, was ihn als Messgerät äußerst attraktiv macht.

„Wenn wir über eine überragende Quantenzukunft nachdenken, kann man sich leicht vorstellen, dass eine hohe Anzahl von Qubits, in Tausenden oder sogar Millionen, an der Tagesordnung sein könnte. Eine sorgfältige Bewertung des Fußabdrucks jeder Komponente ist für diese massive Skalierung unbedingt erforderlich. Wir haben es gezeigt.“ im Natürliche Elektronik Artikel, dass unsere Nanobolometer ernsthaft als Alternative zu herkömmlichen Verstärkern in Betracht gezogen werden könnten“, sagt Mikko Möttönen, Professor an der Aalto-Universität, der die QCD-Forschungsgruppe leitet.

„In unseren allerersten Experimenten haben wir herausgefunden, dass diese Bolometer präzise genug für eine Einzelschuss-Auslesung ohne zusätzliches Quantenrauschen waren und dass sie 10.000-mal weniger Strom verbrauchten als herkömmliche Verstärker – und das alles in einem winzigen Bolometer, dessen temperaturempfindlicher Teil dies kann.“ passen in ein einzelnes Bakterium“, so Professor Möttönen weiter.

Die Einzelschusstreue ist eine wichtige Messgröße, mit der Physiker bestimmen, wie genau ein Gerät den Zustand eines Qubits in einer einzigen Messung erkennen kann, im Gegensatz zum Durchschnitt mehrerer Messungen. Im Fall der Experimente der QCD-Gruppe konnten sie eine Single-Shot-Wiedergabetreue von 61,8 % bei einer Lesezeit von etwa 14 Mikrosekunden erreichen. Durch die Korrektur der Energierelaxationszeit des Qubits erhöht sich die Genauigkeit auf 92,7 %.

„Mit geringfügigen Modifikationen können wir davon ausgehen, dass Bolometer in einem einzigen Schuss in 200 Nanosekunden die gewünschte Genauigkeit von 99,9 % erreichen. Beispielsweise können wir das Bolometermaterial aus Metall durch Graphen ersetzen, das eine geringere Wärmekapazität hat und sehr viel erkennen kann.“ Und indem wir andere unnötige Komponenten zwischen dem Bolometer und dem Chip selbst entfernen, können wir nicht nur die Wiedergabetreue noch weiter verbessern, sondern auch ein kleineres, einfacheres Messgerät erhalten, das die Skalierung auf a ermöglicht „Eine höhere Qubit-Anzahl ist eher machbar“, sagt András Gunyhó, Erstautor der Arbeit und Doktorand in der QCD-Gruppe.

Bevor die QCD-Forschungsgruppe in ihrer jüngsten Arbeit die hohe Einzelschuss-Auslesegenauigkeit von Bolometern demonstrierte, zeigte sie 2019 zunächst, dass Bolometer für hochempfindliche Echtzeit-Mikrowellenmessungen verwendet werden könnten. Anschließend veröffentlichten sie 2020 einen Artikel in Natur zeigt, wie Graphen-Bolometer die Ablesezeiten deutlich unter Mikrosekunden verkürzen können.

Die Arbeit wurde im Kompetenzzentrum für Quantentechnologie (QTF) des finnischen Forschungsrates unter Verwendung der OtaNano-Forschungsinfrastruktur in Zusammenarbeit mit dem VTT Technical Research Centre of Finland und IQM Quantum Computers durchgeführt.