Графеновый болометр ускорит развитие квантовых систем
Финские физики из Лаборатории низких температур Университета Аалто представили новый сверхчувствительный детектор для измерения энергии. Устройство подходит для использования в квантовых компьютерах при считывании состояний кубитов. Для этого необходима высокая скорость и чувствительность измерения, которых удалось добиться благодаря использованию графена в качестве активного элемента детектора. Детали научной работы опубликованы в журнале Nature.
В подавляющем большинстве современных квантовых компьютеров энергетическое состояние кубита определяется с помощью измерения его напряжения. Из-за технической сложности в осуществлении подобных замеров на практике это сильно ограничивает возможности модернизации и масштабируемости таких систем. Существуют и другие недостатки этого подхода, среди которых, в частности, квантовый шум, создаваемый массивными усиливающими элементами – это приводит к росту числа ошибок при считывании состояния кубита. Кроме того, каскад усилителей требует для своего функционирования много энергии. В связи с поиском альтернативы ученые давно обдумывали возможность использования для этих целей болометра – прибора, изобретенного в своем первозданном виде в далеком 1878 году и предназначенного для регистрации электромагнитного излучения и измерения его мощности. Принцип работы устройства весьма прост - при попадании излучения на термочувствительный элемент болометра он нагревается, что приводит к изменению электрического сопротивления теплоприемника. С помощью измерения последнего происходит оценка поглощенной прибором энергии.
Но основная проблема заключалась в том, что варианты болометров на основе других материалов, например, сплава из золота и палладия, не позволяли добиться нужных для работы в квантовых компьютерах скорости и уровня чувствительности измерений. Поэтому ученые решили попробовать графен, у которого очень низкая теплоемкость, что и стало ключом к решению проблемы. Благодаря этому свойству графена, даже очень незначительные изменения излучаемой кубитом энергии приводят к быстрому изменению температуры и сопротивления нового болометра. Разработанное финнами устройство способно осуществлять нужные измерения всего за несколько сотен наносекунд, чего с запасом хватает для использования в современных квантовых системах. Минимальное зарегистрированное во время научных экспериментов время – 200 наносекунд. Кстати, размеры активной части нового детектора соответствуют масштабам мира бактерий, поэтому на одном квантовом чипе можно уместить целый массив из таких болометров.
Ученые признают, что технология все еще нуждается в дальнейшей доработке и продолжают работать над увеличением ее чувствительности. Но уже сейчас ясно, что в будущем использование графеновых болометров должно увеличить скорость и точность работы квантовых систем. В конечном счете, это может приблизить эру прикладного использования квантовых компьютеров.
