微型测辐射热计可以彻底改变量子计算

阿尔托大学量子计算和设备(QCD)小组的研究人员在量子计算领域取得了重大突破。在《自然电子》杂志最近发表的一项研究中，他们证明了一种称为辐射热测量计的微型设备可以一次性准确测量量子位(量子计算机的构建模块)。

传统上，量子计算机使用称为参数放大器的设备来测量量子位。然而，这些放大器有几个缺点，包括不必要的噪声、量子位潜在的退相干以及体积庞大，随着量子计算机中量子位数量的增长，这些问题变得越来越严重。

QCD研究小组负责人MikkoMöttönen教授解释说：“在思考量子至上的未来时，很容易想象数千甚至数百万的高量子比特数可能会司空见惯。对于这种大规模的扩展来说，仔细评估每个组件的占用空间是绝对必要的。我们在《自然电子》论文中表明，我们的纳米测辐射热计可以认真考虑作为传统放大器的替代品。在我们的第一个实验中，我们发现这些辐射热测量计足够精确，可以单次读出，不会增加量子噪声，而且它们的功耗比典型放大器低10,000倍——所有这些都在一个微型辐射热测量计中，其中的温度敏感部分可以适合单个细菌的内部。”

与放大器不同，辐射热测量计使用微创检测接口来感测从量子位发出的微波光子。这种外形尺寸比放大器小约100倍，使其成为测量高量子位计数量子计算机中量子位的有吸引力的选择。

使用辐射热测量计的主要优点之一是它们不受海森堡不确定性原理的约束，该原理指出人们无法同时准确地知道信号的位置和动量，或电压和电流。这一原理限制了使用参数电压电流放大器进行的量子位测量的准确性。然而，辐射热测量计测量功率或光子数，这使得它们能够规避这一基本限制。

在他们的实验中，QCD组实现了61.8%的单次保真度，读出持续时间约为14微秒。当校正量子位的能量弛豫时间时，保真度增加到92.7%。单次保真度是一个关键指标，它决定了设备在单次测量中检测量子位状态的准确程度，而不是多次测量的平均值。

该论文的第一作者、QCD小组的博士研究员AndrásGunyhó表示：“通过微小的修改，我们有望看到辐射热测量计在200纳秒内达到所需的99.9%单次保真度。例如，我们可以将测辐射热计的材料从金属更换为石墨烯，石墨烯的热容量较低，可以快速检测到其能量的微小变化。通过去除辐射热测量计和芯片本身之间的其他不必要的组件，我们不仅可以在读出保真度上做出更大的改进，而且可以实现更小、更简单的测量设备，从而使扩展到更高的量子位计数更加可行。”

QCD研究小组多年来一直致力于基于辐射热测量计的测量。2019年，他们证明了辐射热测量计可用于超灵敏的实时微波测量。2020年，他们在《自然》杂志上发表了一篇论文，表明基于石墨烯的辐射热测量计可以将读出时间缩短至远低于一微秒。

这项开创性的研究是芬兰研究委员会量子技术卓越中心(QTF)使用OtaNano研究基础设施、与芬兰VTT技术研究中心和IQM量子计算机合作进行的。这项工作主要由欧洲研究理事会AdvancedGrantConceptQ、JaneandAatosErkko基金会的未来创客计划以及芬兰科技工业百年基金会资助。