Físicos da Aalto University e do VTT Technical Research Center da Finlândia desenvolveram um novo detector para medir quanta de energia em resolução sem precedentes. Essa descoberta pode ajudar a trazer a computação quântica do laboratório para as aplicações do mundo real. Os resultados foram publicados hoje em Natureza .

O tipo de detector em que a equipe trabalha é chamado de bolômetro, que mede a energia da radiação recebida, medindo o quanto ela aquece o detector. O grupo de Computação Quântica e Dispositivos do Professor Mikko Möttönen da Aalto tem desenvolvido sua experiência em bolômetros para computação quântica na última década, e agora desenvolveram um dispositivo que pode corresponder aos detectores de última geração usados ​​em computadores quânticos.

"É incrível como conseguimos melhorar as especificações do nosso bolômetro ano após ano, e agora embarcamos em uma emocionante jornada ao mundo dos dispositivos quânticos, "diz Möttönen.

Medir a energia dos qubits está no centro de como os computadores quânticos operam. A maioria dos computadores quânticos mede atualmente o estado de energia de um qubit medindo a voltagem induzida pelo qubit. Contudo, existem três problemas com medições de tensão:em primeiro lugar, medir a tensão requer um extenso circuito de amplificação, o que pode limitar a escalabilidade do computador quântico; em segundo lugar, este circuito consome muita energia; e em terceiro lugar, as medições de tensão transportam ruído quântico que introduz erros na leitura de qubit. Os pesquisadores da computação quântica esperam que, ao usar bolômetros para medir a energia qubit, eles podem superar todas essas complicações, e agora a equipe do professor Möttönen desenvolveu um que é rápido e sensível o suficiente para o trabalho.

"Os bolômetros estão agora entrando no campo da tecnologia quântica e talvez sua primeira aplicação possa ser a leitura de informações quânticas de qubits. A velocidade e a precisão do bolômetro agora parecem certas, "diz o professor Möttönen.

A equipe já havia produzido um bolômetro feito de uma liga de ouro-paládio com baixos níveis de ruído incomparáveis ​​em suas medições, mas ainda era muito lento medir qubits em computadores quânticos. O avanço neste novo trabalho foi alcançado ao trocar a fabricação do bolômetro de ligas de ouro-paládio para a fabricação de grafeno. Para fazer isso, eles colaboraram com o grupo NANO do professor Pertti Hakonen - também na Aalto University - que tem experiência na fabricação de dispositivos baseados em grafeno. O grafeno tem uma capacidade de calor muito baixa, o que significa que é possível detectar mudanças muito pequenas em sua energia rapidamente. É essa velocidade na detecção das diferenças de energia que o torna perfeito para um bolômetro com aplicações na medição de qubits e outros sistemas quânticos experimentais. Ao trocar para o grafeno, os pesquisadores produziram um bolômetro que pode fazer medições bem abaixo de um microssegundo, tão rápido quanto a tecnologia usada atualmente para medir qubits.

"Mudar para grafeno aumentou a velocidade do detector em 100 vezes, enquanto o nível de ruído permaneceu o mesmo. Após esses resultados iniciais, ainda há muita otimização que podemos fazer para tornar o dispositivo ainda melhor, "diz o professor Hakonen.

Agora que os novos bolômetros podem competir no que diz respeito à velocidade, a esperança é utilizar as outras vantagens que os bolômetros têm na tecnologia quântica. Embora os bolômetros relatados no trabalho atual tenham um desempenho semelhante às medições de tensão atuais de última geração, futuros bolômetros têm o potencial de superá-los. A tecnologia atual é limitada pelo princípio da incerteza de Heisenberg:as medições de tensão sempre terão ruído quântico, mas os bolômetros não. Essa maior precisão teórica, combinado com as demandas de energia mais baixas e o tamanho menor - o floco de grafeno poderia caber confortavelmente dentro de uma única bactéria - significa que os bolômetros são um novo conceito de dispositivo empolgante para a computação quântica.

Os próximos passos para sua pesquisa é resolver os menores pacotes de energia já observados usando bolômetros em tempo real e usar o bolômetro para medir as propriedades quânticas dos fótons de microondas, que não só têm aplicações interessantes em tecnologias quânticas, como computação e comunicações, mas também na compreensão fundamental da física quântica.

Muitos dos cientistas envolvidos nos pesquisadores também trabalham na IQM, um spin-out da Aalto University desenvolvendo tecnologia para computadores quânticos. "A IQM está constantemente procurando novas maneiras de aprimorar sua tecnologia de computador quântico e este novo bolômetro certamente se encaixa no projeto, "explica o Dr. Kuan Yen Tan, Co-fundador do IQM que também esteve envolvido na pesquisa.