Σύνοψη
- Ερευνητές του Πανεπιστημίου Aalto, της VTT και της IQM κατέγραψαν την ενέργεια στα 0.83 zeptojoules, ρεκόρ στον τομέα.
- Η συγκεκριμένη ποσότητα είναι ίση με το έργο που χρειάζεται για να μετακινηθεί ένα ερυθρό αιμοσφαίριο κατά ένα νανόμετρο εναντίον της βαρύτητας.
- Ο νέος υπερευαίσθητος αισθητήρας λειτουργεί σε θερμοκρασία 20 millikelvins και αξιοποιεί τις θερμοκρασιακές μεταβολές στους υπεραγωγούς.
- Η μέθοδος επιλύει τα προβλήματα θορύβου στην ανάγνωση qubits, εξαλείφοντας την ανάγκη για ενεργοβόρες ενισχύσεις σήματος.
- Η έρευνα ανοίγει νέες προοπτικές στην ανίχνευση της Σκοτεινής Ύλης και στην ακριβή μέτρηση φωτονίων μικροκυμάτων.
Η εξέλιξη στη μέτρηση ενέργειας σε κβαντικό επίπεδο προκαλεί εντυπωσιακά αποτελέσματα για τη σύγχρονη φυσική. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Aalto, σε συνεργασία με το Τεχνικό Ερευνητικό Κέντρο της Φινλανδίας (VTT) και την εταιρεία κβαντικών υπολογιστών IQM, ανακοίνωσαν την ανάπτυξη ενός αισθητήρα που μπορεί να καταγράψει ενέργειες μικρότερες από ένα zeptojoule. Η ανακοίνωση αυτής της εξέλιξης, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Electronics, μπορεί να αναμορφώσει τη διαδικασία κβαντικής ανάγνωσης δεδομένων.
Για να εκτιμήσουμε τη σημασία αυτής της μέτρησης, ένα zeptojoule (10-21 Joules) ισούται με το ένα τρισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του joule. Στην πράξη, αναφέρεται στην ενέργεια που απαιτείται για να ανυψωθεί ένα μεμονωμένο ερυθρό αιμοσφαίριο κατά ένα νανόμετρο κατά της βαρύτητας της Γης. Υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Mikko Möttönen, η ομάδα έφτασε σε 0.83 zeptojoules, σημειώνοντας ιστορικό υψηλό ευαισθησίας.
Ο νέος υπερευαίσθητος θερμιδομετρικός αισθητήρας είναι σχεδιασμένος να λειτουργεί στους 20 millikelvins και συνδυάζει υπεραγωγούς με κανονικά μέταλλα για να ανιχνεύει ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς που αντιστοιχούν στα 0.83 zeptojoules, καταγράφοντας πολύ μικρές θερμοκρασιακές μεταβολές που επηρεάζουν την επαγωγή του συστήματος.
Η μέτρηση σε αυτήν την κλίμακα δεν αρκεί σε μια απλή δέσμη φωτός και την επιστροφή της. Αντιθέτως, ο αισθητήρας λειτουργεί ως ένα υπερευαίσθητο θερμιδόμετρο. Στη λειτουργία του, χρησιμοποιεί νανοκαλώδια με αλουμίνιο για τη δημιουργία επαφών SNS (Superconductor-Normal-Superconductor) Josephson, συνδεδεμένων διαδοχικά. Οι ερευνητές απέστειλαν ένα παλμό μικροκυμάτων διαρκείας 7 ms, με συχνότητα 8.40 GHz και ισχύ μόλις -149.2 dBm στο κύκλωμα.
Ο σχεδιασμός αξιοποιεί την ευπάθεια των υπεραγωγών. Αυτά τα υλικά επιτρέπουν την ελεύθερη ροή του ρεύματος, αλλά η συνδυασμένη χρήση τους με κανονικούς αγωγούς δημιουργεί ευαισθησία σε θερμοκρασιακές αυξήσεις. Η ενέργεια των μικροκυμάτων διεγείρει τα οιονεί σωματίδια (quasiparticles), αυξάνοντας τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων σε χρονικό πλαίσιο νανοδευτερολέπτων, γεγονός που μειώνει το κρίσιμο ρεύμα και ενισχύει την επαγωγή Josephson. Μέσω ενός πυκνωτή 134-pF, σχηματίζεται ένα LC ταλαντωτή, του οποίου η μετατόπιση της συχνότητας συντονισμού αποκαλύπτει με μεγάλη ακρίβεια την κατανάλωση ενέργειας, έπειτα από προσεκτικό φιλτράρισμα του σήματος.
Ποιες είναι οι εφαρμογές στους κβαντικούς υπολογιστές;
Η νέα δυνατότητα μέτρησης σε επίπεδο zeptojoule επιτρέπει την άμεση ανάγνωση των qubits στους κβαντικούς υπολογιστές, χωρίς την ανάγκη ογκωδών και θορυβωδών ενισχυτών. Αυτή η τεχνολογία μειώνει το κβαντικό σφάλμα, επιταχύνει τους υπολογισμούς και διευκολύνει την ακριβή καταμέτρηση φωτονίων σε κρυογονικές συνθήκες.
Στην τρέχουσα κατάσταση των κβαντικών υπολογιστών, η ανάγνωση της κατάστασης ενός qubit απαιτεί πολυάριθμες αλυσίδες ενίσχυσης του σήματος, οι οποίες εισάγουν θερμικό θόρυβο και περιορίζουν την ωφέλιμη επιφάνεια εντός των ψυγείων αραίωσης. Ο νέος αισθητήρας μπορεί να λειτουργεί στις ίδιες ακραίες θερμοκρασίες (20 mK) με τα qubits, που σημαίνει ότι το κύκλωμα ανάγνωσης μπορεί να βρίσκεται κοντά στον επεξεργαστή, ελαχιστοποιώντας τα πολλά στάδια ενίσχυσης και μειώνοντας την οπισθοδραστική παρεμβολή κατά τη μέτρηση.
Επιπλέον, οι επιστήμονες σημειώνουν ότι η έρευνα δεν περιορίζεται στα 0.83 zeptojoules. Εάν στο μέλλον το υλικό απορρόφησης αντικατασταθεί με υλικά που έχουν χαμηλότερη θερμοχωρητικότητα, όπως το γραφένιο, το θεωρητικό όριο ευαισθησίας θα μπορούσε να φτάσει στα 0.05 zeptojoules. Μια τέτοια ευαισθησία θα υπερέβαινε τις απαιτήσεις των κβαντικών επεξεργαστών και θα εισέλθει στο πεδίο της βασικής φυσικής, παρέχοντας τα εργαλεία που απαιτούνται για την ανάπτυξη νέων ανιχνευτών στην έρευνα για τη Σκοτεινή Ύλη.
