Naukowcy z Uniwersytetu Aalto odkryli utratę energii cieplnej w kubitach za pomocą prostego układu eksperymentalnego, rzucając światło na utratę spójności kubitów nadprzewodzących w komputerach kwantowych.
Badanie, w którym biorą udział fizycy i międzynarodowy zespół, koncentruje się na nadprzewodzących złączach Josephsona, kluczowych dla uzyskania wysokiej wydajności obliczenia kwantowei zapewnia wgląd w rozpraszanie ciepła i jego wpływ na wydajność kubitów.
Pomiar utraty spójności kubitu nadprzewodzącego
Fizycy z Uniwersytetu Aalto w Finlandii wraz z międzynarodowym zespołem współpracowników wykazali teoretycznie i eksperymentalnie, że utratę spójności kubitu nadprzewodzącego można bezpośrednio zmierzyć jako rozpraszanie ciepła w obwodzie elektrycznym utrzymującym kubit.
Sercem najbardziej zaawansowanych komputerów kwantowych i ultraczułych detektorów są nadprzewodzące złącza Josephsona, podstawowe elementy kubitów – czyli bitów kwantowych. Jak sama nazwa wskazuje, te kubity i ich obwody są bardzo wydajnymi przewodnikami prądu elektrycznego.
Zrozumienie rozpraszania ciepła w kubitach
„Pomimo szybkiego postępu w tworzeniu wysokiej jakości kubitów, pozostaje ważne, nierozwiązane pytanie: jak i gdzie zachodzi rozpraszanie ciepła?” mówi Bayan Karimi, badacz ze stopniem doktora w grupie badawczej Pico na Uniwersytecie Aalto i pierwszy autor badania.
„Od dawna opracowywaliśmy metody pomiaru tej straty w oparciu o wiedzę naszej grupy w zakresie termodynamiki kwantowej” – dodaje Jukka Pekola, profesor Uniwersytetu Aalto, który kieruje grupą badawczą Pico.
Ponieważ fizycy w wyścigu o udoskonalenie technologii otaczającej urządzenia kwantowe nadal naciskają na coraz wydajniejsze kubity, nowe dane pozwalają badaczom lepiej zrozumieć, w jaki sposób zanikają ich kubity. Jeśli chodzi o obliczenia kwantowe, kubity o dłuższych czasach koherencji umożliwiają wykonanie większej liczby operacji, co prowadzi do bardziej złożonych obliczeń nieosiągalnych w klasycznych środowiskach obliczeniowych.
Śledzenie strat energii na skutek promieniowania cieplnego
Przesyłanie nadprądów jest możliwe dzięki efektowi Josephsona, w którym dwa blisko siebie rozmieszczone materiały nadprzewodzące mogą przewodzić prąd bez przyłożonego napięcia. W wyniku badania nieprzypisane wcześniej straty energii można powiązać z promieniowaniem cieplnym pochodzącym z kubitów i rozprzestrzeniającym się w dół przewodów.
Pomyśl o ognisku ogrzewającym kogoś na plaży – powietrze w pomieszczeniu pozostaje zimne, ale osoba nadal odczuwa ciepło promieniujące od ognia. Karimi twierdzi, że ten sam rodzaj promieniowania prowadzi do rozproszenia w kubicie.
Stratę tę zauważyli już wcześniej fizycy, którzy przeprowadzili eksperymenty na dużych układach setek złączy Josephsona umieszczonych w obwodzie. Podobnie jak w grze telefonicznej, jedno z tych skrzyżowań mogłoby zdestabilizować pozostałe w dalszej części linii.
Prosta konfiguracja eksperymentalna zapewnia doskonałe wyniki
Karimi, Pekola i zespół, pierwotnie formułując swoje eksperymenty z wieloma skrzyżowaniami w układzie, zaczęli przemierzać drogę wstecz do coraz prostszych eksperymentów. Ostateczny układ eksperymentalny: obserwacja skutków zwiększania napięcia na pojedynczym złączu Josephsona. Umieszczając ultraczuły pochłaniacz ciepła obok tego złącza, byli w stanie pasywnie mierzyć bardzo słabe promieniowanie emitowane przez to złącze przy każdym przejściu fazowym w szerokim zakresie częstotliwości do 100 GHz.
Prace teoretyczne grupy przeprowadzono we współpracy z kolegami z Uniwersytetu w Madrycie. Wyniki badania opublikowano 22 sierpnia br Nanotechnologia natury.
Odniesienie: „Bolometryczne wykrywanie promieniowania Josephsona” autorstwa Bayana Karimiego, Gorma Ole Steffesena, Andrew P. Higginbothama, Charlesa M. Marcusa, Alfredo Levy Yeyatiego i Jukki P. Pekoli, 22 sierpnia 2024 r., Nanotechnologia natury.
DOI: 10.1038/s41565-024-01770-7
Praca powstała we współpracy z firmą InstytutQ Katedra Doskonałości profesora Charlesa Marcusa z Uniwersytet Waszyngtońskiw USA oraz Instytut Nielsa Bohra w Kopenhadze w Danii. Do produkcji urządzeń wykorzystywanych w eksperymentach wykorzystano pomieszczenia czyste OtaNano, fińskiej krajowej infrastruktury badawczej w zakresie mikro- i nanotechnologii. Prace były również możliwe dzięki Fińskiej Radzie ds. Badań Naukowych za pośrednictwem Centrum Doskonałości Quantum Technology Finland (QTF) i konsorcjum THEPOW.
