一幅艺术插图展示了如何使用显微辐射热计（如右图所示）来感知量子比特（如左图所示）发出的非常微弱的辐射。图片来源：Aleksandr Käkinen/阿尔托大学

在近期量子计算机中追逐越来越高的量子比特计数不断需要新的工程壮举。

在这场扩大规模的竞赛中，一个棘手的障碍是改进量子比特的测量方式。传统上，称为参量放大器的器件用于进行这些测量。但顾名思义，该器件会放大从量子比特拾取的微弱信号以进行读出，这会导致不需要的噪声，如果没有其他大型组件的保护，可能会导致量子比特退相干。更重要的是，随着尺寸受限冰箱中量子比特数量的增加，扩增链的庞大尺寸在技术上变得具有挑战性。

提示阿尔托大学量子计算和设备研究小组 （QCD）。他们在展示热辐射热计如何用作超灵敏探测器方面有着丰富的记录，他们现在在Nature Electronics的一篇论文中证明了辐射热计的测量可以足够精确，可以进行单次量子比特读数。

一种新的测量方法

令许多物理学家懊恼的是，海森堡不确定性原理决定了人们无法同时准确地知道信号的位置和动量，或者电压和电流。因此，它与使用参数电压电流放大器进行的量子比特测量相得益彰。

但辐射热能量传感是一种根本不同的测量方式，是逃避海森堡臭名昭著的法则的一种手段。由于辐射热计测量功率或光子数，因此它不必像参量放大器那样添加源自海森堡不确定性原理的量子噪声。

与放大器不同，辐射热计通过微创检测接口非常巧妙地感应量子比特发射的微波光子。这种外形尺寸比放大器小约100倍，因此作为测量设备极具吸引力。

“当想到量子至高无上的未来时，很容易想象数千甚至数百万的高量子比特计数可能是司空见惯的。仔细评估每个组件的占地面积对于这种大规模的放大是绝对必要的。我们在Nature Electronics的论文中表明，我们的纳米测辐射热计可以被认真考虑作为传统放大器的替代品，“阿尔托大学教授Mikko Möttönen说，他是QCD研究小组的负责人。

“在我们最初的实验中，我们发现这些辐射热计足够精确，可以进行单次读数，没有增加量子噪声，而且它们的功耗比典型的放大器低 10,000 倍——所有这些都在一个微小的辐射热计中，其温度敏感部分可以安装在单个细菌中，”Möttönen 教授继续说道。

单次保真度是物理学家用来确定设备在一次测量中检测量子比特状态的准确度的重要指标，而不是多次测量的平均值。在QCD小组的实验中，他们能够获得61.8%的单次保真度，读出持续时间约为14微秒。当校正量子比特的能量弛豫时间时，保真度跃升至92.7%。

“通过微小的修改，我们可以期望在200纳秒内看到辐射热计接近所需的99.9%单次保真度。例如，我们可以将辐射热计材料从金属换成石墨烯，石墨烯具有较低的热容，可以快速检测到其能量的非常小的变化。通过去除辐射热计和芯片本身之间的其他不必要的组件，我们不仅可以对读出保真度进行更大的改进，而且我们可以实现更小、更简单的测量设备，使放大到更高的量子比特计数更加可行，“该论文的第一作者、QCD小组的博士研究员AndrásGunyhó说。

在他们最近的论文中证明辐射热计的高单次读出保真度之前，QCD研究小组在2019年首次表明，辐射热计可用于超灵敏的实时微波测量。然后，他们于2020年在《自然》杂志上发表了一篇论文，展示了由石墨烯制成的辐射热计如何将读出时间缩短到远低于一微秒。

这项工作是在芬兰量子技术卓越研究中心（QTF）的研究委员会中进行的，使用OtaNano研究基础设施，与芬兰VTT技术研究中心和IQM量子计算机合作。

更多信息：András M. Gunyhó，使用热探测器对超导量子比特进行单次读出，Nature Electronics （2024）。DOI： 10.1038/s41928-024-01147-7

期刊信息： Nature Electronics ， Nature