新的探测器可能改变量子计算游戏规则

由电场控制的石墨烯热辐射计的艺术图像。图片来源：Heikka Valja

发表在《自然》杂志上的一篇新论文显示了石墨烯测辐射计有可能成为量子技术游戏规则的改变者。

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，可以以前所未有的分辨率测量能量量子。这一发现有助于量子计算走出实验室，进入现实世界的应用。研究结果已发表在《自然》杂志上。

研究小组工作的探测器被称为热辐射计，它通过测量辐射对探测器的加热程度来测量入射辐射的能量。在过去的十年里，阿尔托的米克·莫特南教授的量子计算和器件小组一直在发展他们在量子计算测辐射计方面的专业知识，现在已经开发出一种可以与量子计算机中使用的最先进探测器相匹配的装置。

Möttönen说：“令人惊讶的是，我们能够年复一年地改进测辐射热计的规格，现在我们开始了进入量子器件世界的激动人心的旅程。”。

量度量子位的能量是量子计算机如何运作的核心。目前大多数量子计算机通过测量量子位感应的电压来测量量子位的能量状态。然而，电压测量有三个问题：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，这种电路消耗大量的功率；第三，电压测量带有量子噪声，这会在量子比特读出中引入误差。量子计算机研究人员希望通过使用测辐射计来测量量子位能量，他们可以克服所有这些复杂的问题，而现在Möttönen教授的团队已经开发出一种足够快和足够灵敏的方法来完成这项工作。

“测辐射计现在正进入量子技术领域，也许它们的第一个应用可能是从量子位读出量子信息。莫腾教授说，测辐射热计的速度和精度现在看来正适合它。

该小组此前曾生产出一种由金钯合金制成的测辐射热计，其测量噪音水平无与伦比，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金钯合金制造辐射热计到用石墨烯制造热辐射计。为此，他们与阿尔托大学（Aalto University）的珀蒂·哈科宁教授（Pertti Hakonen）的纳米小组合作，后者在制造石墨烯基器件方面拥有专业知识。石墨烯具有很低的热容，这意味着它有可能很快检测到它的能量的微小变化。正是这种检测能量差异的速度，使它非常适合于测量量子位和其他实验量子系统的测辐射热计。通过换成石墨烯，研究人员已经制造出一种热辐射计，可以在远低于1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。

“改用石墨烯，探测器速度提高了100倍，而噪音水平保持不变。哈科宁教授说，在这些初步结果出来之后，我们还可以做很多优化工作，使这个设备变得更好。

现在新的测辐射热计在速度方面可以与之竞争，人们希望利用辐射热计在量子技术中的其他优势。虽然目前工作中报告的测辐射热计的性能与当前最先进的电压测量值不相上下，但未来的测辐射热计有可能超越它们。目前的技术受到海森堡不确定度原理的限制：电压测量总是有量子噪声，但测辐射热计没有。这种更高的理论精度，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在一个单元内——意味着辐射热计是量子计算领域一个令人兴奋的新概念。

他们研究的下一步是解决用辐射热计实时观测到的最小能量包，并利用辐射热计测量微波光子的量子特性，这不仅在计算和通信等量子技术中有着令人兴奋的应用，而且对量子物理学也是如此。

参与研究的许多科学家也在IQM工作，IQM是阿尔托大学（Aalto University）的一个分支机构，开发量子计算机技术。“IQM一直在寻找新的方法来增强它的量子计算机技术，这种新的热辐射计当然符合这个要求，”同样参与这项研究的IQM联合创始人Kuan Yen Tan博士解释道。