I fisici dell'Università di Aalto e del Centro di ricerca tecnica finlandese VTT hanno sviluppato un nuovo rivelatore per misurare i quanti di energia a una risoluzione senza precedenti. Questa scoperta potrebbe aiutare a portare l'informatica quantistica fuori dal laboratorio e nelle applicazioni del mondo reale. I risultati sono stati pubblicati oggi in Natura .

Il tipo di rilevatore su cui lavora il team è chiamato bolometro, che misura l'energia della radiazione in entrata misurando quanto riscalda il rivelatore. Il gruppo Quantum Computing and Devices del professor Mikko Möttönen ad Aalto ha sviluppato la propria esperienza nei bolometri per il calcolo quantistico nell'ultimo decennio, e ora hanno sviluppato un dispositivo in grado di eguagliare gli attuali rilevatori all'avanguardia utilizzati nei computer quantistici.

"È incredibile come siamo stati in grado di migliorare le specifiche del nostro bolometro anno dopo anno, e ora intraprendiamo un emozionante viaggio nel mondo dei dispositivi quantistici, " dice Möttönen.

La misurazione dell'energia dei qubit è al centro del funzionamento dei computer quantistici. La maggior parte dei computer quantistici attualmente misura lo stato energetico di un qubit misurando la tensione indotta dal qubit. Però, ci sono tre problemi con le misurazioni di tensione:in primo luogo, misurare la tensione richiede un ampio circuito di amplificazione, che può limitare la scalabilità del computer quantistico; in secondo luogo, questo circuito consuma molta energia; e terzo, le misure di tensione trasportano rumore quantistico che introduce errori nella lettura dei qubit. I ricercatori di computer quantistici sperano che utilizzando i bolometri per misurare l'energia dei qubit, possono superare tutte queste complicazioni, e ora il team del professor Möttönen ne ha sviluppato uno abbastanza veloce e sensibile per il lavoro.

"I bolometri stanno ora entrando nel campo della tecnologia quantistica e forse la loro prima applicazione potrebbe essere la lettura delle informazioni quantistiche dai qubit. La velocità e l'accuratezza del bolometro sembrano ora giuste per questo, " dice il professor Möttönen.

Il team aveva precedentemente prodotto un bolometro realizzato in una lega di oro-palladio con livelli di rumore bassi senza precedenti nelle sue misurazioni, ma era ancora troppo lento misurare i qubit nei computer quantistici. La svolta in questo nuovo lavoro è stata ottenuta passando dalla realizzazione del bolometro con le leghe oro-palladio alla produzione di grafene. Per fare questo, hanno collaborato con il gruppo NANO del professor Pertti Hakonen, anch'esso all'Università di Aalto, esperto nella fabbricazione di dispositivi a base di grafene. Il grafene ha una capacità termica molto bassa, il che significa che è possibile rilevare rapidamente cambiamenti molto piccoli nella sua energia. È questa velocità nel rilevare le differenze di energia che lo rende perfetto per un bolometro con applicazioni nella misurazione di qubit e altri sistemi quantistici sperimentali. Passando al grafene, i ricercatori hanno prodotto un bolometro in grado di effettuare misurazioni ben al di sotto di un microsecondo, veloce quanto la tecnologia attualmente utilizzata per misurare i qubit.

"Il passaggio al grafene ha aumentato la velocità del rilevatore di 100 volte, mentre il livello di rumore è rimasto lo stesso. Dopo questi primi risultati, c'è ancora molta ottimizzazione che possiamo fare per rendere il dispositivo ancora migliore, "dice il professor Hakonen.

Ora che i nuovi bolometri possono competere in termini di velocità, la speranza è di utilizzare gli altri vantaggi che i bolometri hanno nella tecnologia quantistica. Mentre i bolometri riportati nel presente lavoro si comportano alla pari con le attuali misurazioni di tensione allo stato dell'arte, i futuri bolometri hanno il potenziale per superarli. La tecnologia attuale è limitata dal principio di indeterminazione di Heisenberg:le misurazioni della tensione avranno sempre rumore quantico, ma i bolometri no. Questa maggiore precisione teorica, combinato con le minori richieste di energia e le dimensioni più ridotte - il fiocco di grafene potrebbe adattarsi comodamente all'interno di un singolo batterio - significa che i bolometri sono un nuovo ed entusiasmante concetto di dispositivo per l'informatica quantistica.

Il prossimo passo per la loro ricerca è risolvere i pacchetti di energia più piccoli mai osservati usando bolometri in tempo reale e usare il bolometro per misurare le proprietà quantistiche dei fotoni a microonde, che non solo hanno applicazioni entusiasmanti nelle tecnologie quantistiche come l'informatica e le comunicazioni, ma anche nella comprensione fondamentale della fisica quantistica.

Molti degli scienziati coinvolti nei ricercatori lavorano anche all'IQM, uno spin-out dell'Università di Aalto che sviluppa tecnologia per computer quantistici. "IQM è costantemente alla ricerca di nuovi modi per migliorare la sua tecnologia dei computer quantistici e questo nuovo bolometro è sicuramente adatto, " spiega il dottor Kuan Yen Tan, Co-fondatore di IQM che è stato anche coinvolto nella ricerca.