Scienziati finlandesi hanno sviluppato un nanodispositivo in grado di misurare l’assoluto potenza della radiazione a microonde fino al livello di femtowatt a temperature estremamente basse, una scala trilioni di volte inferiore a quella normalmente utilizzata nelle misurazioni di potenza verificabili. Il dispositivo ha il potenziale per far avanzare significativamente le misurazioni a microonde nella tecnologia quantistica.
Parti interne di una configurazione di misurazione criogenica. Credito immagine: Bluefors.
Misurazione di potenza estremamente bassa
La scienza quantistica si svolge principalmente a temperature estremamente basse utilizzando dispositivi chiamati frigoriferi a diluizione. Gli esperimenti devono essere condotti anche a livelli di energia minuscoli, fino al livello di energia dei singoli fotoni o anche meno. I ricercatori devono misurare questi livelli di energia estremamente bassi nel modo più accurato possibile, il che significa anche tenere conto del calore, un problema persistente per i dispositivi quantistici.
Per misurare il calore negli esperimenti quantistici, gli scienziati usano un tipo speciale di termometro chiamato bolometro. Recentemente è stato sviluppato un bolometro eccezionalmente accurato ad Aalto da un team guidato da Mikko Möttönen, professore associato di tecnologia quantistica presso Aalto e VTT, ma il dispositivo presentava più incertezza di quanto avessero sperato. Sebbene consentisse loro di osservare il livello di potenza relativo, non potevano determinare la quantità assoluta di energia in modo molto accurato.
Nel nuovo studio, il team di Möttönen ha lavorato con i ricercatori delle società di tecnologia quantistica Bluefors e IQM e del Centro di ricerca tecnica finlandese VTT per migliorare il bolometro. Il lavoro è stato pubblicato oggi come Editor’s Pick in IL Rassegna di strumenti scientifici.
“Abbiamo aggiunto un riscaldatore al bolometro, in modo da poter applicare una corrente di riscaldamento nota e misurare la tensione. Poiché conosciamo l’esatta quantità di potenza che stiamo immettendo nel riscaldatore, possiamo calibrare la potenza della radiazione in ingresso rispetto alla potenza del riscaldatore. Il risultato è un bolometro autocalibrante funzionante a basse temperature, che ci consente di misurare con precisione le potenze assolute a temperature criogeniche,” afferma Möttönen.
Secondo Lago Russelldirettore delle applicazioni quantistiche di Bluefors, il nuovo bolometro rappresenta un significativo passo avanti nella misurazione della potenza delle microonde.
“I sensori di potenza commerciale in genere misurano la potenza nella scala di un milliwatt. Questo bolometro lo fa in modo accurato e affidabile a un femtowatt o meno. Si tratta di una potenza trilioni di volte inferiore rispetto a quella utilizzata nelle tipiche calibrazioni di potenza.’
Immagine del sensore di potenza su un chip di silicio. Credito immagine: Jean-Philippe Girard/Aalto University
Copre sia le scale profonde che quelle larghe
Möttönen spiega che il nuovo bolometro potrebbe migliorare le prestazioni dei computer quantistici. “Per risultati accurati, le linee di misurazione utilizzate per controllare i qubit dovrebbero essere a temperature molto basse, prive di fotoni termici e radiazioni in eccesso. Ora, con questo bolometro, possiamo effettivamente misurare la temperatura della radiazione senza l’interferenza dei circuiti dei qubit,” dice.
Il bolometro copre anche una gamma molto ampia di frequenze.
“Il sensore è a banda larga, il che significa che può misurare qual è la potenza assorbita nelle varie frequenze. Questo non è un dato di fatto nella tecnologia quantistica, poiché di solito i sensori sono limitati a una banda molto stretta», afferma Jean-Philippe Girarduno scienziato di Bluefors che ha anche lavorato in precedenza ad Aalto sul dispositivo.
Il team afferma che il bolometro fornisce un importante impulso ai campi della tecnologia quantistica.
“La misurazione delle microonde avviene nelle comunicazioni wireless, nella tecnologia radar e in molti altri campi. Hanno i loro modi per eseguire misurazioni accurate, ma non c’era modo di fare lo stesso quando si misuravano segnali a microonde molto deboli per la tecnologia quantistica. Il bolometro è uno strumento diagnostico avanzato che fino ad ora mancava dalla cassetta degli attrezzi della tecnologia quantistica,” dice Lake.
Il lavoro è il risultato di una perfetta collaborazione tra la Aalto University e Bluefors, un perfetto esempio di accademia e industria che completano i reciproci punti di forza. Il dispositivo è stato sviluppato presso il gruppo Quantum Computing and Devices (QCD) di Aalto, che fa parte dell’Accademia di Finlandia Centro di eccellenza nella tecnologia quantistica (QTF). Hanno usato camere bianche Micronova che appartengono a l’infrastruttura di ricerca nazionale OtaNano. Fin dai primi esperimenti ad Aalto, Bluefors ha testato con successo questi dispositivi anche nelle proprie strutture industriali.
“Ciò dimostra che non si tratta solo di un colpo di fortuna in un laboratorio universitario, ma di qualcosa di cui possono trarre vantaggio sia i professionisti industriali che quelli accademici che lavorano nella tecnologia quantistica”, afferma Möttönen.
Fonte: Università Aalto
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
