在近期量子计算机中追求更高的量子比特数不断需要新的工程技术。
这场扩大规模竞赛的棘手障碍之一是完善量子位的测量方式。 传统上使用称为参量放大器的设备来进行这些测量。 但顾名思义，该设备放大从量子位拾取的微弱信号来进行读出，这会产生不需要的噪声，并且如果没有额外的大型组件保护，可能会导致量子位的退相干。 更重要的是，随着尺寸有限的冰箱中量子比特数量的增加，放大链的庞大尺寸在技术上变得难以解决。
请注意阿尔托大学量子计算和设备（QCD）研究小组。 他们在展示热测辐射热计如何用作超灵敏探测器方面拥有丰富的记录，并且他们刚刚在 4 月 10 日的《自然电子》论文中证明，测辐射热计测量对于单次量子位读出来说足够准确。
一种新的测量方法
让许多物理学家懊恼的是，海森堡测不准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位测量相匹配。 但辐射热能量传感是一种根本不同的测量方法——作为逃避海森堡臭名昭著的规则的一种手段。 由于测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，辐射热测量计通过微创检测接口非常巧妙地感测从量子位发出的微波光子。 这种外形尺寸比同类放大器小大约 100 倍，使其作为测量设备极具吸引力。
“当想到量子至上的未来时，很容易想象数千甚至数百万的高量子比特数可能是司空见惯的。 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Nano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，而且它们消耗的功率比典型放大器低 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QCD 研究小组负责人、阿尔托大学教授 Mikko Möttönen 说：
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位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。 当校正量子位的能量弛豫时间时，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，而且我们可以实现更小、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。”该论文的第一作者、QCD 小组的博士研究员 András Gunyhó 说道。
在他们最近的论文中展示辐射热测量计的高单次读数保真度之前，QCD 研究小组首先在 2019 年展示了辐射热测量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测量计如何将读出时间缩短至远低于一微秒。
这项工作是在芬兰量子技术卓越中心 (QTF) 研究委员会与芬兰 VTT 技术研究中心和 IQM 量子计算机合作下，利用 OtaNano 研究基础设施进行的。 它主要由欧洲研究理事会 Advanced Grant ConceptQ、Jane and Aatos Erkko 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。
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