Tra gli ostacoli fastidiosi di questa corsa all’espansione c’è il perfezionamento del modo in cui vengono misurati i qubit. Per eseguire queste misurazioni vengono tradizionalmente utilizzati dispositivi chiamati amplificatori parametrici. Ma come suggerisce il nome, il dispositivo amplifica i segnali deboli raccolti dai qubit per condurre la lettura, il che causa rumore indesiderato e può portare alla decoerenza dei qubit se non protetti da componenti aggiuntivi di grandi dimensioni. Ancora più importante, le dimensioni ingombranti della catena di amplificazione diventano tecnicamente difficili da aggirare poiché il numero di qubit aumenta nei frigoriferi di dimensioni limitate.

Indica il gruppo di ricerca dell'Università di Aalto Quantum Computing and Devices (QCD). Hanno una lunga esperienza nel dimostrare come i bolometri termici possano essere utilizzati come rilevatori ultrasensibili e ora lo hanno dimostrato in un Nature Electronics carta che le misurazioni del bolometro possono essere sufficientemente precise per la lettura di qubit a colpo singolo.

Un nuovo metodo di misurazione

Con dispiacere di molti fisici, il principio di indeterminazione di Heisenberg stabilisce che non è possibile conoscere simultaneamente la posizione e la quantità di moto di un segnale, o la tensione e la corrente, con precisione. Lo stesso vale per le misurazioni dei qubit condotte con amplificatori parametrici tensione-corrente.

Ma il rilevamento dell’energia bolometrica è un tipo di misurazione fondamentalmente diverso:serve come mezzo per eludere la famigerata regola di Heisenberg. Poiché un bolometro misura la potenza, o il numero di fotoni, non è obbligato ad aggiungere rumore quantistico derivante dal principio di indeterminazione di Heisenberg come fanno gli amplificatori parametrici.

A differenza degli amplificatori, i bolometri rilevano in modo molto sottile i fotoni a microonde emessi dal qubit tramite un’interfaccia di rilevamento minimamente invasiva. Questo fattore di forma è circa 100 volte più piccolo della sua controparte amplificatore, rendendolo estremamente interessante come dispositivo di misurazione.

"Quando si pensa a un futuro quantistico supremo, è facile immaginare che un numero elevato di qubit, nell'ordine delle migliaia o addirittura dei milioni, potrebbe essere all'ordine del giorno. Un'attenta valutazione dell'impronta di ciascun componente è assolutamente necessaria per questo massiccio aumento di scala. Abbiamo dimostrato nell'Elettronica della Natura documento secondo cui i nostri nanobolometri potrebbero seriamente essere considerati un'alternativa agli amplificatori convenzionali", afferma il professore dell'Università di Aalto Mikko Möttönen, che dirige il gruppo di ricerca QCD.

"Nei nostri primi esperimenti, abbiamo riscontrato che questi bolometri sono sufficientemente precisi per la lettura a colpo singolo, privi di rumore quantistico aggiunto, e consumano 10.000 volte meno energia rispetto ai tipici amplificatori, il tutto in un piccolo bolometro, la cui parte sensibile alla temperatura può stare all'interno di un singolo batterio," continua il prof. Möttönen.

La fedeltà a scatto singolo è un importante parametro utilizzato dai fisici per determinare la precisione con cui un dispositivo può rilevare lo stato di un qubit in una sola misurazione anziché in una media di misurazioni multiple. Nel caso degli esperimenti del gruppo QCD, sono riusciti ad ottenere una fedeltà a scatto singolo del 61,8% con una durata di lettura di circa 14 microsecondi. Correggendo il tempo di rilassamento energetico del qubit, la fedeltà aumenta fino al 92,7%.

"Con piccole modifiche, potremmo aspettarci di vedere i bolometri avvicinarsi alla fedeltà desiderata del 99,9% a scatto singolo in 200 nanosecondi. Ad esempio, possiamo scambiare il materiale del bolometro dal metallo al grafene, che ha una capacità termica inferiore e può rilevare cambiamenti molto piccoli." rapidamente nella sua energia. E rimuovendo altri componenti non necessari tra il bolometro e il chip stesso, non solo possiamo apportare miglioramenti ancora maggiori alla fedeltà della lettura, ma possiamo ottenere un dispositivo di misurazione più piccolo e più semplice che consente lo scaling-up a qubit più elevati. conta più fattibile," dice András Gunyhó, il primo autore dell'articolo e ricercatore di dottorato nel gruppo QCD.

Prima di dimostrare l'elevata fedeltà di lettura a colpo singolo dei bolometri nel loro articolo più recente, il gruppo di ricerca QCD ha dimostrato per la prima volta che i bolometri possono essere utilizzati per misurazioni di microonde ultrasensibili in tempo reale nel 2019. Hanno poi pubblicato nel 2020 un articolo in Natura che mostra come i bolometri realizzati in grafene possono ridurre i tempi di lettura ben al di sotto del microsecondo.

Il lavoro è stato svolto presso il Centro di eccellenza per la tecnologia quantistica (QTF) del Consiglio di ricerca finlandese utilizzando l'infrastruttura di ricerca OtaNano in collaborazione con il Centro di ricerca tecnica finlandese VTT e IQM Quantum Computers.