新的检测器突破是量子计算的潜在改变者

电场控制的石墨烯辐射热测量仪的艺术形象。

在《自然》杂志上发表的一篇新论文表明，石墨烯测辐射热计有可能成为改变量子技术的游戏规则。

阿尔托大学和芬兰VTT技术研究中心的物理学家开发了一种新的探测器，用于以前所未有的分辨率测量能量量子。这一发现可能有助于将量子计算带出实验室并进入实际应用。研究结果已发表在《自然》杂志上。

团队工作的探测器类型称为辐射热计，它通过测量辐射器加热多少来测量入射辐射的能量。MalkoMöttönen教授位于Aalto的“量子计算和设备”小组在过去的十年中一直在发展其用于量子计算的辐射热测量计方面的专业知识，现在已经开发出一种可以与当前用于量子计算机的最新检测器相匹配的设备。

Möttönen表示：“我们能够年复一年地改善辐射热计的规格，这真是令人惊讶，现在我们踏上了进入量子设备世界的激动人心的旅程。”

测量量子位的能量是量子计算机如何工作的核心。当前，大多数量子计算机通过测量由量子位感应的电压来测量量子位的能态。但是，电压测量存在三个问题：首先，测量电压需要大量的放大电路，这可能会限制量子计算机的可扩展性。其次，该电路消耗大量功率。第三，电压测量会携带量子噪声，这会在量子位读数中引入误差。量子计算机研究人员希望，通过使用辐射热测量仪来测量量子位能量，他们可以克服所有这些复杂问题，现在，莫特嫩教授的团队已经开发出了一种速度足够快，灵敏度足以胜任这项工作的技术。

‘测距仪现在正在进入量子技术领域，也许它们的第一个应用可能是从量子位中读取量子信息。测辐射热计的速度和精确度现在似乎很合适。’Möttönen教授说。

该团队以前曾生产过一种由金-钯合金制成的辐射热计，其辐射测量具有无与伦比的低噪声水平，但在量子计算机中测量量子位仍然太慢。这项新工作的突破是从将测辐射热计由金钯合金制成改为由石墨烯制成。为此，他们与也在阿尔托大学（Aalto University）的Pertti Hakonen教授的NANO小组合作，他们在制造基于石墨烯的器件方面具有专业知识。石墨烯的热容量非常低，这意味着可以快速检测其能量的很小变化。正是这种检测能量差异的速度，使其非常适用于辐射热计，可用于测量量子位和其他实验量子系统。通过交换使用石墨烯，研究人员制造了一种辐射热计，它可以在不到一微秒的时间内进行测量，其速度与目前用于测量量子位的技术一样快。

‘换成石墨烯可以使检测器速度提高100倍，而噪声级保持不变。在获得这些初步结果之后，我们仍然可以进行很多优化，以使设备更好。’Hakonen教授说。

既然新的辐射热测量计可以在速度上竞争，那么希望是要利用辐射热测量计在量子技术中的其他优势。尽管当前工作中报告的辐射热测量仪的性能与当前最新的电压测量水平相当，但未来的辐射热测量仪有可能胜过它们。目前的技术受到海森堡不确定性原理的限制：电压测量将始终具有量子噪声，而辐射热测量计则不会。更高的理论精度，再加上更低的能量需求和更小的尺寸（石墨烯薄片可以舒适地放入单个细菌中），这意味着辐射热计是令人兴奋的量子计算新设备概念。

他们下一步的研究是实时解决使用辐射热测量仪观察到的最小能量包，并使用辐射热测量仪测量微波光子的量子特性，这些微波光子不仅在计算和通信等量子技术中具有令人兴奋的应用，而且对量子物理学有基本的了解。

许多参与研究人员的科学家也在IQM工作，IQM是阿尔托大学的一部分衍生产品，用于开发量子计算机技术。“ IQM一直在寻找增强量子计算机技术的新方法，这种新型测辐射热计确实符合要求。” IQM的联合创始人Kuan Yen Tan博士解释说，他也参与了这项研究。

参考：R. Kokkoniemi，J.-P。“在电路量子电动力学的阈值下运行的测压计”。 Girard，D.Hazra，A.Laitinen，J.Govenius，RE Lake，I.Sallinen，V.Vesterinen，M.Partanen，JY Tan，Chan KW，KY Tan，P.Hakonen和M.Möttönen，2020年9月30日，自然。
10.1038 / s41586-020-2753-3

这项研究合作是量子技术卓越中心（QTF）和由芬兰科学院资助的BOLOSE传感器开发项目（RADDESS计划，2018-2021年）的一部分。