Los físicos de la Universidad Aalto y el Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia han desarrollado un nuevo detector para medir cuantos de energía con una resolución sin precedentes. Este descubrimiento podría ayudar a sacar la computación cuántica del laboratorio a aplicaciones del mundo real. Los resultados se han publicado hoy en Naturaleza .

El tipo de detector con el que trabaja el equipo se llama bolómetro, que mide la energía de la radiación entrante midiendo cuánto calienta el detector. El grupo de Dispositivos y Computación Cuántica del profesor Mikko Möttönen en Aalto ha estado desarrollando su experiencia en bolómetros para computación cuántica durante la última década, y ahora han desarrollado un dispositivo que puede coincidir con los detectores de última generación utilizados en las computadoras cuánticas.

"Es asombroso cómo hemos podido mejorar las especificaciones de nuestro bolómetro año tras año, y ahora nos embarcamos en un emocionante viaje al mundo de los dispositivos cuánticos, "dice Möttönen.

La medición de la energía de los qubits es fundamental para el funcionamiento de las computadoras cuánticas. La mayoría de las computadoras cuánticas miden actualmente el estado de energía de un qubit midiendo el voltaje inducido por el qubit. Sin embargo, Hay tres problemas con las mediciones de voltaje:en primer lugar, medir el voltaje requiere un extenso circuito de amplificación, lo que puede limitar la escalabilidad de la computadora cuántica; en segundo lugar, este circuito consume mucha energía; y en tercer lugar, las medidas de voltaje llevan ruido cuántico que introduce errores en la lectura de qubit. Los investigadores de computadoras cuánticas esperan que al usar bolómetros para medir la energía qubit, pueden superar todas estas complicaciones, y ahora el equipo del profesor Möttönen ha desarrollado uno que es lo suficientemente rápido y sensible para el trabajo.

"Los bolómetros están entrando ahora en el campo de la tecnología cuántica y quizás su primera aplicación podría ser la lectura de la información cuántica de los qubits. La velocidad y precisión del bolómetro parece ahora adecuada para ello, "dice el profesor Möttönen.

El equipo había producido previamente un bolómetro hecho de una aleación de oro y paladio con niveles de ruido bajos sin precedentes en sus mediciones. pero todavía era demasiado lento medir qubits en computadoras cuánticas. El gran avance en este nuevo trabajo se logró al pasar de hacer el bolómetro con aleaciones de oro y paladio a hacerlo con grafeno. Para hacer esto, colaboraron con el grupo NANO del profesor Pertti Hakonen, también en la Universidad Aalto, que tienen experiencia en la fabricación de dispositivos basados ​​en grafeno. El grafeno tiene una capacidad calorífica muy baja, lo que significa que es posible detectar cambios muy pequeños en su energía rápidamente. Es esta velocidad en la detección de las diferencias de energía lo que lo hace perfecto para un bolómetro con aplicaciones en la medición de qubits y otros sistemas cuánticos experimentales. Al cambiar a grafeno, los investigadores han producido un bolómetro que puede realizar mediciones en muy por debajo de un microsegundo, tan rápido como la tecnología que se utiliza actualmente para medir qubits.

"El cambio a grafeno aumentó la velocidad del detector en 100 veces, mientras que el nivel de ruido se mantuvo igual. Después de estos resultados iniciales, todavía hay mucha optimización que podemos hacer para que el dispositivo sea aún mejor, "dice el profesor Hakonen.

Ahora que los nuevos bolómetros pueden competir en velocidad, la esperanza es utilizar las otras ventajas que tienen los bolómetros en la tecnología cuántica. Si bien los bolómetros informados en el trabajo actual funcionan a la par con las medidas de voltaje actuales de última generación, los bolómetros del futuro tienen el potencial de superarlos. La tecnología actual está limitada por el principio de incertidumbre de Heisenberg:las mediciones de voltaje siempre tendrán ruido cuántico, pero los bolómetros no. Esta mayor precisión teórica, combinado con las demandas de energía más bajas y el tamaño más pequeño (la escama de grafeno podría caber cómodamente dentro de una sola bacteria) significa que los bolómetros son un nuevo y emocionante concepto de dispositivo para la computación cuántica.

Los siguientes pasos para su investigación son resolver los paquetes de energía más pequeños jamás observados usando bolómetros en tiempo real y usar el bolómetro para medir las propiedades cuánticas de los fotones de microondas. que no solo tienen aplicaciones interesantes en tecnologías cuánticas como la informática y las comunicaciones, pero también en la comprensión fundamental de la física cuántica.

Muchos de los científicos involucrados en los investigadores también trabajan en IQM, una derivación de la Universidad de Aalto que desarrolla tecnología para computadoras cuánticas. "IQM busca constantemente nuevas formas de mejorar su tecnología de computadora cuántica y este nuevo bolómetro ciertamente se ajusta a los requisitos, "explica el Dr. Kuan Yen Tan, Cofundador de IQM que también participó en la investigación.