Сверхчувствительный болометр: рекордное разрешение в 0,3 зептоджоуля для квантовых компьютеров

Новый болометр, разработанный учеными из Финляндии и Нидерландов, способен регистрировать энергию всего в 0,3 зептоджоуля — это в тысячу раз меньше энергии одного фотона видимого света. Такое рекордное разрешение открывает путь к сверхбыстрым и точным измерениям в квантовых вычислениях и радиоастрономии. Устройство, описанное в журнале Nature, использует сверхпроводящую нанопроволоку, охлажденную до 0,1 Кельвина, что позволяет детектировать одиночные микроволновые фотоны — ключевой элемент для считывания состояний кубитов.

Как работает болометр с рекордной чувствительностью

Болометр — это детектор, измеряющий энергию падающего излучения по изменению температуры чувствительного элемента. Чем меньше тепловая масса этого элемента, тем выше чувствительность. В новой разработке исследователи из Университета Аалто и Технологического университета Делфта использовали сверхпроводящую нанопроволоку из нитрида титана (TiN) длиной 1 мкм и шириной 100 нм. При охлаждении до 0,1 Кельвина материал переходит в сверхпроводящее состояние, и даже ничтожное поглощение энергии вызывает резкое изменение сопротивления. Это позволяет регистрировать энергию в 0,3 зептоджоуля, что соответствует шести микроволновым фотонам с частотой 10 ГГц. Время отклика устройства составляет около 10 микросекунд, что достаточно для современных квантовых операций.

Почему предыдущие болометры не достигали такой чувствительности?

Традиционные болометры, используемые в астрофизике и физике высоких энергий, имеют чувствительность порядка аттоджоуля (10⁻¹⁸ Дж). Новый прибор превосходит их на три порядка благодаря уникальной конструкции. Вместо массивного поглотителя используется ультратонкая пленка толщиной в несколько нанометров, подвешенная на мембране. Это минимизирует теплоемкость и тепловые шумы. Предыдущие попытки достичь субцептоджоульного разрешения сталкивались с проблемой флуктуаций температуры, но авторам удалось решить ее с помощью специального алгоритма обработки сигнала, который фильтрует шумы и выделяет полезный сигнал.

Как это повлияет на квантовые компьютеры

В квантовых компьютерах информация хранится в кубитах, которые часто реализуются на сверхпроводящих цепях. Считывание состояния кубита — одна из самых сложных задач: требуется измерять энергию микроволнового фотона, испускаемого кубитом. Современные усилители на основе джозефсоновских переходов работают, но вносят шум, что снижает точность. Болометр с субцептоджоульной чувствительностью может напрямую детектировать фотоны без усиления, что повышает точность и скорость считывания. Исследователи уже продемонстрировали, что их устройство способно различать состояния кубита с вероятностью ошибки менее 1%. Это делает его идеальным кандидатом для интеграции в квантовые процессоры.

Какие еще применения у сверхчувствительного болометра?

Помимо квантовых вычислений, болометр может найти применение в радиоастрономии для изучения реликтового излучения и холодных облаков газа. Новый прибор позволит наблюдать более слабые сигналы, чем раньше. В метрологии он может использоваться для калибровки источников микроволнового излучения. В фундаментальной физике — для поиска темной материи или проверки квантовой электродинамики. Устройство работает в частотном диапазоне 5–10 ГГц, который широко используется в сверхпроводящих кубитах и астрономических наблюдениях.

Технические детали: конструкция и характеристики

Сердце болометра — сверхпроводящая нанопроволока из TiN, находящаяся в тепловом контакте с поглотителем из золота, на который падает излучение. При поглощении фотона температура повышается на милликельвины, что вызывает скачок сопротивления. Энергетическое разрешение 0,3 зептоджоуля соответствует 6 фотонам с частотой 10 ГГц. Время отклика составляет около 10 микросекунд, что достаточно для современных квантовых операций. Авторы также отмечают, что устройство может быть улучшено до времени отклика 1 микросекунда в следующих версиях.

Кого затронет эта разработка

Новый болометр в первую очередь интересен разработчикам квантовых компьютеров, таким как Google, IBM и стартапам. Он может ускорить создание масштабируемых квантовых процессоров, так как упрощает схему считывания. В России и СНГ квантовые вычисления развиваются в Российском квантовом центре и МФТИ — возможно, они заинтересуются технологией для своих экспериментов. В радиоастрономии болометры используются для изучения реликтового излучения и холодных облаков газа; новый прибор позволит наблюдать более слабые сигналы.

Что будет дальше

Исследователи планируют улучшить время отклика до 1 микросекунды и интегрировать болометр в квантовый процессор. Следующим шагом может стать создание матрицы из таких детекторов для параллельного считывания многих кубитов. Коммерциализация технологии ожидается в течение 3–5 лет, но уже сейчас устройство может быть использовано в метрологии и фундаментальной физике. Ученые также работают над повышением рабочей температуры, чтобы снизить требования к криогенному оборудованию.

Итог

Создание болометра с субцептоджоульным разрешением — значительный шаг вперед для квантовых технологий. Возможность напрямую измерять энергию одиночных микроволновых фотонов открывает путь к более надежным и быстрым квантовым компьютерам. Следите за этой разработкой: она может стать одним из ключевых компонентов будущих квантовых процессоров.