Квантовый предел преодолен? Ученые использовали тепловые детекторы для измерения кубитов

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Квантовые компьютеры — это будущее вычислений, обещающее решить задачи, которые недоступны даже самым мощным суперкомпьютерам. Однако на пути к этому будущему стоят многочисленные технологические барьеры, один из которых — точное измерение состояния кубитов, базовых единиц информации в квантовом мире.

До сих пор ученые полагались на параметрические усилители, которые, подобно слуховым аппаратам, усиливают слабые сигналы от кубитов. Но, подобно тому, как слишком громкий звук искажает музыку, усилители добавляют шум, мешающий точному измерению. Более того, эти «усилители» занимают много места, что становится проблемой при стремлении к увеличению количества кубитов.

Но что, если мы изменим саму парадигму измерения? Вместо усиления сигнала, попробуем измерить его энергию напрямую. Именно этим путем пошли исследователи из Университета Аалто, заменив громоздкие усилители на миниатюрные тепловые болометры.

Болометры: крошечные термометры квантового мира

Представьте себе болометр как сверхчувствительный термометр, способный измерить даже тепло от одного фотона — частицы света. В отличие от усилителей, болометры не добавляют шума, а их размер сравним с бактерией. Это открывает дорогу к созданию компактных квантовых компьютеров с миллионами кубитов.

(a) Иллюстрация предлагаемой схемы мультиплексного считывания кубитов с помощью болометров. Считывающие резонаторы с резонансными частотами fр,и в гигагерцовом диапазоне управляются через общую фидерную линию и соединены с отдельными болометрами с резонансными частотами fb,i в субгигагерцовом диапазоне. Болометры измеряются отдельными зондовыми частотами f,И ≈ фb,i через общую измерительную линию. (b) Оптическая микрофотография микросхемы с тремя болометрами, имеющими общую линию зонда (оранжевый). Извилистые катушки индуктивности (зеленые) используются для настройки частоты цепей LC. (c)–(e) Нормированные амплитуды передачи, близкие к резонансным частотам трех болометров, как функции частоты зонда и мощности зонда. (f)–(h) Измеренные сигналы детектора в зависимости от времени с импульсами длительностью 1 мс, приложенными к портам поглотителя различных болометров с длительностью 1 мс. Каждый болометр управляется через входные фильтры полосы пропускания (не показаны) на их порту поглотителя по одному импульсу за раз с частотой 5,0 ГГц (синий), 5,8 ГГц (зеленый) или 7,6 ГГц (красный). Для каждого болометра сигнал велик только для одной из частот привода, что указывает на то, что перекрестные помехи малы. Сигналы, соответствующие частотам привода полосы затвора, для наглядности смещаются на − 1 и −2 мВ. Красным крестиком на каждой из панелей (b)–(d) отмечены параметры зонда, которые использовались для получения данных на каждой из панелей (e)–(g) соответственно. — (a) Иллюстрация предлагаемой схемы мультиплексного считывания кубитов с помощью болометров. Считывающие резонаторы с резонансными частотами fр, и в гигагерцовом диапазоне управляются через общую фидерную линию и соединены с отдельными болометрами с резонансными частотами fb, i в субгигагерцовом диапазоне. Болометры измеряются отдельными зондовыми частотами f, И ≈ фb, i через общую измерительную линию. (b) Оптическая микрофотография микросхемы с тремя болометрами, имеющими общую линию зонда (оранжевый). Извилистые катушки индуктивности (зеленые) используются для настройки частоты цепей LC. (c)-(e) Нормированные амплитуды передачи, близкие к резонансным частотам трех болометров, как функции частоты зонда и мощности зонда. (f)-(h) Измеренные сигналы детектора в зависимости от времени с импульсами длительностью 1 мс, приложенными к портам поглотителя различных болометров с длительностью 1 мс. Каждый болометр управляется через входные фильтры полосы пропускания (не показаны) на их порту поглотителя по одному импульсу за раз с частотой 5,0 ГГц (синий), 5,8 ГГц (зеленый) или 7,6 ГГц (красный). Для каждого болометра сигнал велик только для одной из частот привода, что указывает на то, что перекрестные помехи малы. Сигналы, соответствующие частотам привода полосы затвора, для наглядности смещаются на − 1 и −2 мВ. Красным крестиком на каждой из панелей (b)-(d) отмечены параметры зонда, которые использовались для получения данных на каждой из панелей (e)-(g) соответственно.
Автор: Gunyhó, A.M., Kundu, S., Ma, J. et al. Single-shot readout of a superconducting qubit using a thermal detector. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01147-7 (CC-BY 4.0) Источник: www.nature.com

«Мы смогли показать, что болометры способны с высокой точностью определить состояние кубита за одно измерение, — говорит профессор Микко Мёттёнен, руководитель исследовательской группы. — Это как угадать, орел или решка выпала на монетке, подбросив ее всего один раз».

Первые результаты впечатляют: точность однократного измерения составила 61.8%, а с учетом особенностей кубитов она достигла 92.7%. Ученые уверены, что с доработкой технологии можно добиться точности 99.9%, сравнимой с лучшими усилителями, но при этом с гораздо меньшим размером и энергопотреблением.

Квантовое будущее становится ближе

Исследование финских ученых — это не просто очередной шаг в развитии квантовых технологий. Это смена парадигмы, которая открывает путь к созданию компактных и мощных квантовых компьютеров. Болометры могут стать ключом к решению задач, которые сейчас кажутся невозможными: от разработки новых лекарств и материалов до моделирования сложных систем и взлома современных шифров.

Впереди еще много работы, но уже сейчас ясно: квантовое будущее становится ближе, и болометры играют в этом не последнюю роль.