开发了超灵敏的微波检测器–下一代量子计算机的支持技术

基于石墨烯约瑟夫森结的微波辐射热测量仪。

韩国POSTECH，雷声公司BBN Technologies，哈佛大学，美国麻省理工学院，西班牙巴塞罗那科学技术学院和日本国立材料科学研究所的国际联合研究团队共同开发了超灵敏传感器可以以理论上最高的灵敏度检测微波。这项研究结果发表在国际著名学术期刊《自然》上，作为使包括量子计算机在内的下一代技术商业化的使能技术而受到关注。

微波被广泛用于科学技术领域，包括移动通信，雷达和天文学。最近，已经积极进行了研究，以极高的灵敏度检测诸如量子计算和量子通信等下一代量子技术的微波。

当前，可以使用称为辐射热测量仪的设备检测微波功率。辐射热计通常由三种材料组成：电磁吸收材料，将电磁波转换成热的材料，以及将产生的热转换成电阻的材料。辐射热计使用电阻的变化来计算吸收的电磁波量。在辐射热计中使用诸如硅和砷化镓之类的基于半导体的二极管，在室温下运行的最新商业辐射热计的灵敏度通过平均一秒钟可限制在1纳瓦（十亿分之一瓦）的范围内。

基于石墨烯约瑟夫森结的微波辐射热测量仪。

研究团队通过创新设备的材料和结构方面突破了这一限制。首先，该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了很少的能量，也会引起较大的温度变化。微波光子的能量很小，但是如果被石墨烯吸收，它们会引起相当大的温度升高。问题在于，石墨烯的温度升高很快冷却下来，难以测量变化。

为了解决这个问题，研究团队采用了一种称为约瑟夫森结的装置。这种由超导体-石墨烯-超导体（SGS）组成的量子装置可以通过电气过程检测10皮秒（1万亿分之一秒）内的温度变化。这使得可以检测石墨烯中的温度变化以及所产生的电阻。

结合这些关键因素，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钟内解决1 aW（1万亿瓦特）的问题。

“这项研究意义重大，因为它已经建立了可扩展的技术来支持下一代量子设备，”负责这项研究的POSTECH的Gil-Ho Lee教授说。他进一步解释说：“这项研究开发了一种辐射热计技术，可以测量每单位时间吸收多少微波光子。但是目前，我们正在开发一种可以区分每个微波光子的单光子检测技术。”他总结说：“我们希望这项技术能够最大程度地提高量子计算的测量效率，并大大减少间接资源，以使大规模量子计算机得到广泛使用。雷神公司BBN Technologies的Kin Chung Fong博士评论说：“从射电天文学领域研究宇宙起源的人们以及在粒子物理学中研究暗物质的人们中，我们都看到了这项研究中出乎意料的兴趣。”他补充说：“这是如何将基础科学研究应用于各个领域的一个例子。”

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参考：Gil-Le Lee，Dmitri K. Efetov，Woochan Jung，Leonardo Ranzani，Evan D.Walsh，Thomas A.Ohki，Takashi Taniguchi，渡边健二，Philip Kim，Dirk Englund和Kin Chung的“基于石墨烯的约瑟夫森结微波辐射热计”方，2020年9月30日，自然。
10.1038 / s41586-020-2752-4