为下一代量子计算机开发的超灵敏微波探测器技术

新的微波钻

基于石墨烯约瑟夫森结的微波辐射热计。信用:格雷厄姆罗兰斯,雷神BBN技术

A joint international research team from POSTECH of South Korea, Raytheon BBN Technologies, Harvard University, and Massachusetts Institute of Technology in the U.S., Barcelona Institute of Science and Technology in Spain, and the National Institute for Materials Science in Japan have together developed ultrasensitive sensors that can detect microwaves with the highest theoretically possible sensitivity. The research findings, published in the prominent international academic journal自然,介绍了一种关注,作为商业化下一代技术,包括量子计算机的启用技术。

微波被广泛应用于科学技术领域,包括移动通信、雷达和天文学。近年来,针对下一代量子技术,人们积极开展了探测超高灵敏度微波的研究量子计算和量子通信。

目前,微波功率可以通过一种叫做辐射热计的设备来检测。辐射热计通常由三种材料组成:电磁吸收材料,将电磁波转化为热的材料,以及将产生的热转化为电阻的材料。辐射热计利用电阻的变化来计算吸收的电磁波量。在辐射热计中使用硅和砷化镓等半导体二极管,在室温下工作的最先进的商用辐射热计的灵敏度被平均一秒钟限制在1纳瓦(十亿分之一瓦)。

基于石墨烯约瑟夫森结的微波辐射热计

基于石墨烯约瑟夫森结的微波辐射热计。来源:麻省理工学院的桑普森·威尔科克斯

研究团队通过创新设备的材料和结构的方面来突破这一限制。首先,团队使用石墨烯作为吸收电磁波的材料。石墨烯由一层碳原子组成,具有非常小的电子热容量。小的热容量表示即使吸收少量能量,也会导致较大的温度变化。微波光子具有很少的能量,但如果被石墨烯吸收,它们会导致相当大的温度升高。问题是石墨烯的温度升高很快,使得难以测量变化。

为了解决这个问题,研究团队采用了一个称为约瑟夫森交界处的设备。由超导体 - 石墨烯 - 超导体(SGS)组成的该量子装置可以通过电气过程检测10pic秒内(1万亿秒)内的温度变化。这使得可以检测石墨烯的温度变化和所得到的电阻。

结合这些关键成分,研究人员达到了1 aW/Hz1/2的噪声等效功率,这意味着该设备可以在一秒内分解1 aW(1万亿分之一瓦特)。

“这项研究意义重大,因为它已经建立了一种可扩展的技术,使下一代量子设备成为可能,”领导这项研究的POSTECH教授Gil-Ho Lee说。他进一步解释说:“这项研究开发了一种测辐射热计技术,可以测量单位时间内吸收了多少微波光子。但目前,我们正在开发一种单光子检测技术,可以区分每个微波光子。他总结道:“我们希望这项技术能最大限度地提高量子计算的测量效率,并极大地减少间接资源,使大规模的量子计算机成为可能,这将大有用处。”雷神BBN科技公司的Dr. Kin Chung Fong评论道:“我们发现,在射电天文学领域研究宇宙起源的人以及在粒子物理领域研究暗物质的人对这项研究产生了意想不到的兴趣。他还说,“这是基础科学研究如何应用于各个领域的一个例子。”

美国陆军创造了100,000倍的灵敏度的传感器有关这一创新的更多信息。

参考:Gil-Ho Lee,Dmitri K. eFetov,Woochan Jung,Leonardo Ranzani,Evan D. Walsh,Thomas A. Ohki,Takashi Taniguchi,Kenji Watanabe,Philip Kim,Dirk Englund及金涌芳,2020年9月30日,自然
DOI:10.1038 / S41586-020-2752-4

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