Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Gotemburgo, Suecia, han desarrollado un tipo novedoso de termómetro que puede medir de manera simple y rápida las temperaturas durante los cálculos cuánticos con una precisión extremadamente alta. El avance proporciona una herramienta de evaluación comparativa para la computación cuántica de gran valor, y se abre para experimentos en el apasionante campo de la termodinámica cuántica.

Los componentes clave de las computadoras cuánticas son los cables coaxiales y las guías de ondas, estructuras que guían las formas de onda y actúan como la conexión vital entre el procesador cuántico y la electrónica clásica que lo controla. Los pulsos de microondas viajan a lo largo de las guías de ondas hasta el procesador cuántico, y se enfrían a temperaturas extremadamente bajas en el camino. La guía de ondas también atenúa y filtra los pulsos, permitiendo que la computadora cuántica extremadamente sensible funcione con estados cuánticos estables.

Para maximizar el control sobre este mecanismo, los investigadores deben asegurarse de que estas guías de ondas no transporten ruido debido al movimiento térmico de los electrones en la parte superior de los pulsos que envían. En otras palabras, tienen que medir la temperatura de los campos electromagnéticos en el extremo frío de las guías de ondas de microondas, el punto donde los pulsos de control se envían a los qubits de la computadora. Trabajar a la temperatura más baja posible minimiza el riesgo de introducir errores en los qubits.

Hasta ahora, los investigadores solo han podido medir esta temperatura indirectamente, con un retraso relativamente grande. Ahora, con el nuevo termómetro de los investigadores de Chalmers, Se pueden medir temperaturas muy bajas directamente en el extremo receptor de la guía de ondas, con precisión y con una resolución de tiempo extremadamente alta.

"Nuestro termómetro es un circuito superconductor, conectado directamente al final de la guía de ondas que se está midiendo. Es relativamente simple, y probablemente el termómetro más rápido y sensible del mundo para este propósito en particular en la escala de milikelvin, "dice Simone Gasparinetti, profesor asistente en el Laboratorio de Tecnología Cuántica, Universidad Tecnológica de Chalmers.

Importante para medir el rendimiento de la computadora cuántica

Los investigadores del Centro Wallenberg de Tecnología Cuántica, WACQT, tienen el objetivo de construir una computadora cuántica basada en circuitos superconductores con al menos 100 qubits que funcionen bien y que realicen cálculos correctos para 2030. Requiere una temperatura de trabajo del procesador cercana al cero absoluto, idealmente hasta 10 milikelvin. El nuevo termómetro brinda a los investigadores una herramienta importante para medir qué tan buenos son sus sistemas y qué deficiencias existen, un paso necesario para poder refinar la tecnología y lograr su objetivo.

"Una determinada temperatura corresponde a un número determinado de fotones térmicos, y ese número disminuye exponencialmente con la temperatura. Si logramos bajar la temperatura al final donde la guía de ondas se encuentra con el qubit a 10 milikelvin, el riesgo de errores en nuestros qubits se reduce drásticamente, "dice Per Delsing, Profesor del Departamento de Microtecnología y Nanociencia, Universidad Tecnológica de Chalmers, y líder de WACQT.

La medición precisa de la temperatura también es necesaria para los proveedores que necesitan poder garantizar la calidad de sus componentes. por ejemplo, cables que se utilizan para manejar señales hasta estados cuánticos.

Nuevas oportunidades en el campo de la termodinámica cuántica

Fenómenos de la mecánica cuántica como la superposición, el entrelazamiento y la decoherencia significan una revolución no solo para la computación del futuro, sino también potencialmente para la termodinámica. Bien puede ser que las leyes termodinámicas cambien de alguna manera cuando se trabaja en la nanoescala de una manera que algún día podría aprovecharse para producir motores más potentes. baterías de carga más rápida, y más.

"Durante 15 a 20 años, la gente ha estudiado cómo las leyes de la termodinámica pueden ser modificadas por fenómenos cuánticos, pero la búsqueda de una ventaja cuántica genuina en termodinámica aún está abierta, "dice Simone Gasparinetti, quien recientemente inició su propio grupo de investigación y planea contribuir a esta búsqueda con una novedosa gama de experimentos.

El nuevo termómetro puede, por ejemplo, medir la dispersión de las microondas térmicas de un circuito que actúa como un motor de calor cuántico o un refrigerador.

"Los termómetros estándar fueron fundamentales para desarrollar la termodinámica clásica. Esperamos que tal vez, en el futuro, nuestro termómetro será considerado fundamental para el desarrollo de la termodinámica cuántica, "dice Marco Scigliuzzo, estudiante de doctorado en el Departamento de Microtecnología y Nanociencia, Universidad Tecnológica de Chalmers.