Quantenwissenschaftler messen präzise Leistungsniveaus, die eine Billion Mal niedriger sind als üblich

Wissenschaftler in Finnland haben ein Nanogerät entwickelt, das die absolute Leistung von Mikrowellenstrahlung bis hin zum Femtowatt-Niveau bei extrem niedrigen Temperaturen messen kann – ein Maßstab, der Billionen Mal niedriger ist als der, der routinemäßig bei überprüfbaren Leistungsmessungen verwendet wird. Das Gerät hat das Potenzial, Mikrowellenmessungen in der Quantentechnologie deutlich voranzutreiben.

Die Quantenwissenschaft findet hauptsächlich bei extrem niedrigen Temperaturen unter Verwendung von Geräten statt, die als Verdünnungskühlschränke bezeichnet werden. Die Experimente müssen auch bei winzigen Energieniveaus durchgeführt werden – bis hin zum Energieniveau einzelner Photonen oder noch weniger. Forscher müssen diese extrem niedrigen Energieniveaus so genau wie möglich messen, was bedeutet, dass auch Wärme berücksichtigt werden muss – ein anhaltendes Problem bei Quantengeräten.

Um Wärme in Quantenexperimenten zu messen, verwenden Wissenschaftler eine spezielle Art von Thermometer, ein sogenanntes Bolometer. Ein außergewöhnlich genaues Bolometer wurde kürzlich an der Aalto-Universität von einem Team unter der Leitung von Mikko Möttönen, außerordentlicher Professor für Quantentechnologie an Aalto und VTT, entwickelt, aber das Gerät wies mehr Unsicherheit auf, als sie erhofft hatten. Obwohl es ihnen ermöglichte, das relative Leistungsniveau zu beobachten, konnten sie die absolute Energiemenge nicht sehr genau bestimmen.

In der neuen Studie arbeitete Möttönens Team mit Forschern der Quantentechnologieunternehmen Bluefors und IQM sowie des VTT Technical Research Center of Finland zusammen, um das Bolometer zu verbessern. Das Werk wurde heute (25. Mai) als Editor’s Pick im veröffentlicht Überprüfung wissenschaftlicher Instrumente.

„Wir haben dem Bolometer eine Heizung hinzugefügt, damit wir einen bekannten Heizstrom anlegen und die Spannung messen können. Da wir die genaue Energiemenge kennen, die wir in die Heizung stecken, können wir die Leistung der Eingangsstrahlung gegen die Heizung kalibrieren.“ „Das Ergebnis ist ein selbstkalibrierendes Bolometer, das bei niedrigen Temperaturen arbeitet und es uns ermöglicht, absolute Leistungen bei kryogenen Temperaturen genau zu messen“, sagt Möttönen.

Laut Russell Lake, Direktor für Quantenanwendungen bei Bluefors, ist das neue Bolometer ein bedeutender Fortschritt bei der Messung der Mikrowellenleistung.

„Kommerzielle Leistungssensoren messen typischerweise die Leistung im Bereich von einem Milliwatt. Dieses Bolometer misst dies genau und zuverlässig bei einem Femtowatt oder weniger. Das ist eine Billion Mal weniger Leistung als bei typischen Leistungskalibrierungen.“

Deckt sowohl tiefe als auch breite Skalen ab

Möttönen erklärt, dass das neue Bolometer die Leistung von Quantencomputern verbessern könnte. „Für genaue Ergebnisse sollten die zur Steuerung der Qubits verwendeten Messleitungen sehr niedrige Temperaturen aufweisen, [de]frei von thermischen Photonen und überschüssiger Strahlung. Mit diesem Bolometer können wir diese Strahlungstemperatur nun tatsächlich messen, ohne dass die Qubit-Schaltkreise Störungen verursachen“, sagt er.

Darüber hinaus deckt das Bolometer einen breiten Frequenzbereich ab.

„Der Sensor ist breitbandig, was bedeutet, dass er die in verschiedenen Frequenzen absorbierte Leistung messen kann. Dies ist in der Quantentechnologie nicht selbstverständlich, da die Sensoren normalerweise auf ein sehr schmales Band beschränkt sind“, sagt Jean-Philippe Girard, ein Wissenschaftler bei Bluefors, der zuvor auch bei Aalto an dem Gerät gearbeitet hat.

Das Team sagt, dass das Bolometer den Bereichen der Quantentechnologie einen großen Schub verleiht.

„Die Messung von Mikrowellen findet in der drahtlosen Kommunikation, der Radartechnologie und vielen anderen Bereichen statt. Es gibt zwar eigene Methoden, um genaue Messungen durchzuführen, aber bei der Messung sehr schwacher Mikrowellensignale für die Quantentechnologie gab es keine Möglichkeit, dasselbe zu tun. Das Bolometer ist ein fortschrittliches Diagnosegerät.“ Instrument, das bisher im Werkzeugkasten der Quantentechnologie fehlte“, sagt Lake.

Die Arbeit ist das Ergebnis einer nahtlosen Zusammenarbeit zwischen der Aalto University und Bluefors, ein perfektes Beispiel dafür, dass Akademie und Industrie ihre Stärken ergänzen. Das Gerät wurde in der Quantum Computing and Devices (QCD)-Gruppe von Aalto entwickelt, die Teil des Centre of Excellence in Quantum Technology (QTF) der Academy of Finland ist. Sie nutzten Micronova-Reinräume, die zur nationalen Forschungsinfrastruktur OtaNano gehören. Seit den ersten Experimenten bei Aalto hat Bluefors diese Geräte auch erfolgreich in seinen eigenen Industrieanlagen getestet.

„Das zeigt, dass dies nicht nur ein Glücksfall in einem Universitätslabor ist, sondern etwas, von dem sowohl die Industrie als auch die akademischen Fachkräfte, die in der Quantentechnologie arbeiten, profitieren können“, sagt Möttönen.