量子科学者が通常より1兆倍低い電力レベルを正確に測定

2023 年 5 月 25 日

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アアルト大学著

フィンランドの科学者たちは、極低温でマイクロ波放射の絶対電力をフェムトワットレベルまで測定できるナノデバイスを開発した。これは、検証可能な電力測定で日常的に使用されているものよりも数兆倍低いスケールである。 このデバイスは、量子技術におけるマイクロ波測定を大幅に進歩させる可能性を秘めています。

量子科学は主に、希釈冷凍機と呼ばれる装置を使用して超低温で行われます。 実験はまた、単一光子のエネルギーレベル、あるいはそれ以下の小さなエネルギーレベルで行う必要があります。 研究者は、これらの極度に低いエネルギーレベルをできるだけ正確に測定する必要があります。これは、量子デバイスにとって永続的な問題である熱も考慮することを意味します。

量子実験で熱を測定するために、科学者はボロメーターと呼ばれる特別なタイプの温度計を使用します。 最近、アアルト大学と VTT の量子技術准教授であるミッコ・モットーネン率いるチームによって、非常に正確なボロメーターがアールト大学で開発されましたが、この装置には彼らが期待していたよりも不確実性がありました。 これにより相対的な電力レベルを観察することはできましたが、エネルギーの絶対量を正確に決定することはできませんでした。

新しい研究では、モットーネン氏のチームは量子技術企業ブルーフォーズ社とIQM社、フィンランドのVTT技術研究センターの研究者らと協力してボロメーターを改良した。 この研究は本日 (5 月 25 日)、Review of Scientific Instruments の Editor's Pick として掲載されました。

「ボロメータにヒーターを追加したので、既知のヒーター電流を流して電圧を測定できます。ヒーターに投入する正確な電力量がわかっているので、ヒーターに対する入力放射線の電力を校正できます。その結果、低温で動作する自己校正ボロメータが実現し、極低温での絶対電力を正確に測定できるようになりました」とモットーネン氏は言います。

Bluefors の量子アプリケーション担当ディレクターである Russell Lake 氏によると、新しいボロメータはマイクロ波電力の測定において大きな前進となります。

「市販のパワーセンサーは通常、1ミリワットのスケールで電力を測定します。このボロメーターは、1フェムトワット以下で正確かつ確実に測定します。これは、一般的な電力校正で使用される電力よりも1兆分の1少ない電力です。」

モットーネン氏は、新しいボロメータによって量子コンピュータの性能が向上する可能性があると説明する。 「正確な結果を得るには、量子ビットの制御に使用される測定ラインは非常に低温であり、熱光子や過剰な放射が存在しない必要があります。このボロメータを使用すると、量子ビット回路からの干渉を受けることなく放射温度を実際に測定できます。 」と彼は言います。

ボロメータは広範囲の周波数もカバーします。

「センサーは広帯域です。つまり、さまざまな周波数で吸収される電力を測定できます。通常、センサーは非常に狭い帯域に制限されているため、これは量子技術では当然のことです」と科学者のジャン・フィリップ・ジラールは言う。以前は Aalto でデバイスの開発に携わっていた Bluefors の人物です。

研究チームは、ボロメーターが量子技術分野に大きな後押しをもたらすと述べている。

「マイクロ波の測定は、無線通信、レーダー技術、その他多くの分野で行われています。それらには正確な測定を実行する方法がありますが、量子技術の非常に弱いマイクロ波信号を測定する場合、同じことを行う方法はありませんでした。ボロメータは高度な診断装置です。これまで量子テクノロジーのツールボックスに欠けていた手段です」とレイク氏は言う。

この研究は、アアルト大学とブルーフォースのシームレスなコラボレーションの成果であり、学術と産業界が互いの強みを補完し合っている完璧な例です。 このデバイスは、フィンランドアカデミー量子技術センター・オブ・エクセレンス（QTF）の一部であるアアルトの量子コンピューティングおよびデバイス（QCD）グループで開発されました。 彼らは国家研究インフラOtaNanoに属するMicronovaクリーンルームを使用しました。 アアルトでの最初の実験以来、Bluefors も自社の産業施設でこれらのデバイスのテストに成功しました。

「これは、これが単に大学の研究室の幸運な出来事ではなく、量子技術に取り組む産業界と学術専門家の両方が恩恵を受けることができることを示しています」とモットーネン氏は言う。

詳しくは： JP-P. Girard et al、広帯域で追跡可能な電力測定を可能にする極低温センサー、Review of Scientific Instruments (2023)。 DOI: 10.1063/5.0143761

雑誌情報:科学機器のレビュー

アアルト大学提供