L’un des obstacles difficiles à surmonter dans cette course à l’intensification est le raffinement de la manière dont les qubits sont mesurés. Des appareils appelés amplificateurs paramétriques sont traditionnellement utilisés pour effectuer ces mesures. Mais comme son nom l'indique, l'appareil amplifie les signaux faibles captés par les qubits pour effectuer la lecture, ce qui provoque un bruit indésirable et peut conduire à une décohérence des qubits s'il n'est pas protégé par des composants de grande taille supplémentaires. Plus important encore, la taille volumineuse de la chaîne d'amplification devient techniquement difficile à contourner à mesure que le nombre de qubits augmente dans les réfrigérateurs de taille limitée.

Cue le groupe de recherche de l’Université Aalto Quantum Computing and Devices (QCD). Ils ont fait leurs preuves en montrant comment les bolomètres thermiques peuvent être utilisés comme détecteurs ultrasensibles, et ils l'ont maintenant démontré dans le cadre d'une étude Nature Electronics. papier indiquant que les mesures du bolomètre peuvent être suffisamment précises pour une lecture de qubit en une seule fois.

Une nouvelle méthode de mesure

Au grand dam de nombreux physiciens, le principe d'incertitude de Heisenberg détermine qu'il est impossible de connaître simultanément avec précision la position et l'impulsion d'un signal, ou sa tension et son courant. Il en va de même pour les mesures de qubits effectuées avec des amplificateurs paramétriques tension-courant.

Mais la détection d’énergie bolométrique est un type de mesure fondamentalement différent :elle sert à contourner la fameuse règle de Heisenberg. Puisqu'un bolomètre mesure la puissance ou le nombre de photons, il n'est pas obligé d'ajouter du bruit quantique provenant du principe d'incertitude de Heisenberg comme le sont les amplificateurs paramétriques.

Contrairement aux amplificateurs, les bolomètres détectent très subtilement les photons micro-ondes émis par le qubit via une interface de détection mini-invasive. Ce facteur de forme est environ 100 fois plus petit que son homologue amplificateur, ce qui le rend extrêmement attrayant en tant qu'appareil de mesure.

"Quand on pense à un avenir quantique suprême, il est facile d'imaginer qu'un nombre élevé de qubits, de plusieurs milliers, voire millions, pourrait être monnaie courante. Une évaluation minutieuse de l'empreinte de chaque composant est absolument nécessaire pour cette mise à l'échelle massive. Nous avons montré dans la Nature Electronics article selon lequel nos nanobolomètres pourraient sérieusement être considérés comme une alternative aux amplificateurs conventionnels", déclare Mikko Möttönen, professeur à l'université Aalto, qui dirige le groupe de recherche QCD.

"Dans nos toutes premières expériences, nous avons constaté que ces bolomètres étaient suffisamment précis pour une lecture en un seul coup, sans bruit quantique supplémentaire, et qu'ils consommaient 10 000 fois moins d'énergie que les amplificateurs classiques, le tout dans un minuscule bolomètre dont la partie sensible à la température peut tenir à l'intérieur d'une seule bactérie", poursuit le professeur Möttönen.

La fidélité à un seul coup est une métrique importante que les physiciens utilisent pour déterminer avec quelle précision un appareil peut détecter l'état d'un qubit en une seule mesure, par opposition à une moyenne de plusieurs mesures. Dans le cas des expériences du groupe QCD, ils ont pu obtenir une fidélité en un seul coup de 61,8 % avec une durée de lecture d'environ 14 microsecondes. En corrigeant le temps de relaxation énergétique du qubit, la fidélité grimpe jusqu'à 92,7 %.

"Avec des modifications mineures, nous pourrions nous attendre à voir les bolomètres approcher la fidélité souhaitée de 99,9 % en un seul coup en 200 nanosecondes. Par exemple, nous pouvons remplacer le matériau du bolomètre du métal par du graphène, qui a une capacité thermique inférieure et peut détecter de très petits changements. dans son énergie rapidement. Et en supprimant d'autres composants inutiles entre le bolomètre et la puce elle-même, nous pouvons non seulement apporter des améliorations encore plus importantes à la fidélité de lecture, mais nous pouvons également obtenir un dispositif de mesure plus petit et plus simple qui permet une mise à l'échelle vers un qubit plus élevé. c'est plus faisable", déclare András Gunyhó, premier auteur de l'article et doctorant dans le groupe QCD.

Avant de démontrer la haute fidélité de lecture en un seul coup des bolomètres dans leur article le plus récent, le groupe de recherche QCD a d'abord montré que les bolomètres peuvent être utilisés pour des mesures micro-ondes ultrasensibles en temps réel en 2019. Ils ont ensuite publié en 2020 un article dans Nature montrant comment les bolomètres en graphène peuvent raccourcir les temps de lecture bien en dessous d'une microseconde.

Les travaux ont été réalisés au Centre d'excellence du Conseil de recherche de Finlande pour la technologie quantique (QTF) en utilisant l'infrastructure de recherche OtaNano en collaboration avec le Centre de recherche technique VTT de Finlande et IQM Quantum Computers.