Entre los obstáculos problemáticos de esta carrera por la ampliación está refinar la forma en que se miden los qubits. Para realizar estas mediciones se utilizan tradicionalmente dispositivos llamados amplificadores paramétricos. Pero como sugiere el nombre, el dispositivo amplifica las señales débiles captadas de los qubits para realizar la lectura, lo que provoca ruido no deseado y puede provocar una decoherencia de los qubits si no están protegidos por componentes grandes adicionales. Más importante aún, el tamaño voluminoso de la cadena de amplificación se vuelve técnicamente difícil de solucionar a medida que aumentan los recuentos de qubits en refrigeradores de tamaño limitado.

Indique el grupo de investigación de Computación y Dispositivos Cuánticos (QCD) de la Universidad de Aalto. Tienen un amplio historial demostrando cómo se pueden utilizar los bolómetros térmicos como detectores ultrasensibles, y ahora lo han demostrado en un evento de Nature Electronics. papel que las mediciones del bolómetro pueden ser lo suficientemente precisas para una lectura de qubit de un solo disparo.

Un nuevo método de medición

Para disgusto de muchos físicos, el principio de incertidumbre de Heisenberg determina que no se puede conocer simultáneamente la posición y el impulso de una señal, o el voltaje y la corriente, con precisión. Lo mismo ocurre con las mediciones de qubit realizadas con amplificadores paramétricos de voltaje-corriente.

Pero la detección de energía bolométrica es un tipo de medición fundamentalmente diferente:sirve como medio para evadir la infame regla de Heisenberg. Dado que un bolómetro mide la potencia, o el número de fotones, no está obligado a agregar ruido cuántico derivado del principio de incertidumbre de Heisenberg como lo hacen los amplificadores paramétricos.

A diferencia de los amplificadores, los bolómetros detectan muy sutilmente los fotones de microondas emitidos por el qubit a través de una interfaz de detección mínimamente invasiva. Este factor de forma es aproximadamente 100 veces más pequeño que su homólogo amplificador, lo que lo hace extremadamente atractivo como dispositivo de medición.

"Cuando se piensa en un futuro cuántico supremo, es fácil imaginar que un alto número de qubits, de miles o incluso millones, podría ser algo común. Una evaluación cuidadosa de la huella de cada componente es absolutamente necesaria para esta ampliación masiva. Hemos demostrado en la Electrónica de la Naturaleza "Nuestros nanobolómetros podrían considerarse seriamente como una alternativa a los amplificadores convencionales", afirma el profesor de la Universidad Aalto Mikko Möttönen, que dirige el grupo de investigación QCD.

"En nuestros primeros experimentos, encontramos que estos bolómetros son lo suficientemente precisos para una lectura de un solo disparo, libres de ruido cuántico añadido y consumen 10.000 veces menos energía que los amplificadores típicos, todo en un pequeño bolómetro, cuya parte sensible a la temperatura puede caber dentro de una sola bacteria", continúa el profesor Möttönen.

La fidelidad de un solo disparo es una métrica importante que utilizan los físicos para determinar con qué precisión un dispositivo puede detectar el estado de un qubit en una sola medición en lugar de un promedio de múltiples mediciones. En el caso de los experimentos del grupo QCD, pudieron obtener una fidelidad de disparo único del 61,8% con una duración de lectura de aproximadamente 14 microsegundos. Cuando se corrige el tiempo de relajación de energía del qubit, la fidelidad aumenta hasta el 92,7 %.

"Con modificaciones menores, podríamos esperar ver bolómetros acercándose a la deseada fidelidad de disparo único del 99,9% en 200 nanosegundos. Por ejemplo, podemos cambiar el material del bolómetro de metal a grafeno, que tiene una menor capacidad calorífica y puede detectar cambios muy pequeños. en su energía rápidamente y al eliminar otros componentes innecesarios entre el bolómetro y el propio chip, no solo podemos lograr mejoras aún mayores en la fidelidad de la lectura, sino que también podemos lograr un dispositivo de medición más pequeño y simple que permite ampliar a qubits más altos. considera más factible", afirma András Gunyhó, primer autor del artículo e investigador doctoral en el grupo QCD.

Antes de demostrar la alta fidelidad de lectura de un solo disparo de los bolómetros en su artículo más reciente, el grupo de investigación QCD demostró por primera vez que los bolómetros se pueden usar para mediciones de microondas ultrasensibles en tiempo real en 2019. Luego publicaron en 2020 un artículo en Naturaleza mostrando cómo los bolómetros hechos de grafeno pueden acortar los tiempos de lectura muy por debajo de un microsegundo.

El trabajo se llevó a cabo en el Centro de Excelencia para Tecnología Cuántica (QTF) del Consejo de Investigación de Finlandia utilizando la infraestructura de investigación OtaNano en colaboración con el Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia y IQM Quantum Computers.