Forskare vid Chalmers har utvecklat en ny typ av termometer som enkelt och blixtsnabbt mäter temperatur vid kvantberäkningar med extremt stor noggrannhet. Genombrottet är av stort värde för alla som utvecklar supraledande kvantdatorer och deras komponenter och öppnar samtidigt för experiment inom området kvanttermodynamik.

Den nya kvanttermometern, i förgrunden, är förmodligen världens snabbaste och mest känsliga termometer för att mäta temperaturen vid den kalla änden av en vågledare på millikelvinskalan, enligt Chalmersforskarna. Foto: Claudia Castillo Moreno/Chalmers

En nyckelkomponent i kvantdatorer är koaxialkablar och vågledare – strukturer som överför mikrovågssignaler och kopplar ihop kvantdatorn och den klassiska elektronik som styr den. Mikrovågspulser färdas i vågledarna till kvantprocessorn och kyls ner till extremt låga temperaturer längs vägen. Vågledarna dämpar och filtrerar pulserna, och möjliggör att den extremt känsliga kvantdatorn kan arbeta med stabila kvanttillstånd i sina kvantbitar.

För att ha maximal kontroll över mekanismen måste forskarna vara säkra på att dessa vågledare inte adderar brus, på grund av termiska elektronrörelser, till de pulser som behövs för att styra kvantdatorn. Med andra ord måste de mäta temperaturen på de elektromagnetiska fälten vid den kalla änden av mikrovågsvågledarna, den punkt där styrpulserna levereras till datorns kvantbitar. Att arbeta vid lägsta möjliga temperatur minimerar risken för att införa fel i kvantbitarna.

Hittills har forskare bara kunnat mäta denna temperatur indirekt, med relativt stor fördröjning. Nu, med Chalmersforskarnas nya termometer, kan mycket låga temperaturer mätas direkt vid den mottagande änden av vågledaren – mycket exakt och snabbt.

– Vår termometer är en supraledande krets, direkt ansluten till änden av den vågledare som mäts, säger Simone Gasparinetti, forskarassistent vid Quantum Technology Laboratory och institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers. Termometern är relativt enkel – och förmodligen världens snabbaste och mest känsliga för just detta ändamål på millikelvin-skalan.

Forskarna vid Wallenberg Center for Quantum Technology, WACQT, har som mål att bygga en kvantdator baserad på supraledande kretsar med minst 100 väl fungerande kvantbitar, som senast år 2030 utför användbara beräkningar. Det kräver en arbetstemperatur för processorn nära den absoluta nollpunkten, helst nedåt 10 mK. Den nya termometern ger forskarna ett viktigt verktyg för att mäta hur bra deras system är och vilka brister som finns – ett nödvändigt steg för att kunna förfina tekniken och uppnå målet.

– En viss temperatur motsvarar ett givet antal fotoner, och antalet minskar exponentiellt med temperaturen. Om vi lyckas sänka temperaturen där vågledaren möter kvantbiten till 10 millikelvin minskar risken för fel i våra kvantbitar drastiskt, säger Per Delsing, professor vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers, och ledare för WACQT.

Noggrann temperaturmätning är också nödvändig för leverantörer som behöver kunna garantera kvaliteten på sina komponenter, exempelvis kablar som används för att hantera signaler ner till kvantkomponenter.

Kvantmekaniska fenomen som superposition, sammanflätning och dekoherens innebär en revolution inte bara för framtidens datorer utan potentiellt även inom termodynamiken. Det skulle mycket väl kunna vara så att de termodynamiska lagarna på något sätt ändras när man arbetar i nanoskala, på ett sätt som en dag skulle kunna utnyttjas för att producera kraftfullare motorer, snabbladdande batterier med mera.

– I 15-20 år har forskare studerat hur termodynamikens lagar kan modifieras av kvantfenomen, men sökandet efter en verklig kvantfördel inom termodynamiken är fortfarande öppet, säger Simone Gasparinetti, som nyligen startade sin egen forskargrupp och planerar att bidra till denna forskning med en ny typ av experiment.

Den nya termometern kan till exempel mäta spridningen av termiska mikrovågor från en krets som fungerar som en kvantvärmepump eller ett kvantkylskåp.

– Standardtermometrar var grundläggande för att utveckla klassisk termodynamik. Vi hoppas att vår termometer i framtiden kanske kommer att betraktas som avgörande för att utveckla kvanttermodynamiken, säger Marco Scigliuzzo, doktorand vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers.

Det nya termometerkonceptet bygger på samspelet mellan faskoherent och inkoherent spridning från en krets som drivs på resonans. Kretsen är starkt kopplad till änden av den vågledare som mäts. Termiska fotoner i vågledaren leder till en mätbar minskning i den koherent spridda signalen, som mäts kontinuerligt. På detta sätt kan antalet fotoner i mikrovågvågledaren mätas – detta motsvarar en temperatur. Chalmersforskarnas termometer, som använder en supraledande krets och fungerar vid gigahertz-frekvenser, är relativt enkel, har stor bandbredd, hög känslighet och försumbara förluster.

Wallenberg Center for Quantum Technology, WACQT, är ett 12-årigt forskningscenter som syftar till att placera Sverige i framkant inom kvantteknologi. Huvudprojektet är att utveckla en avancerad kvantdator. WACQT samordnas från Chalmers och har aktiviteter vid KTH, Lunds universitet, Stockholms universitet, Linköpings universitet och Göteborgs universitet.

En illustration av den supraledande krets som användes i experimentet av Scigliuzzo et al. (till vänster) och dess förmåga att mäta termiska mikrovågor på nivån för en enda excitationskvanta (till höger). Illustration: neuroncollective.com / Chalmers

Filed under: SvenskTeknik