Квантовый болометр сделали из графена
Roope Kokkoniemi, et al. / Nature, 2020
Финские физики разработали новый детектор для измерения энергии с рекордным разрешением на основе графена. Это устройство может обеспечить высокодобротное считывание в сверхроводящих квантовых компьютерах. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
Большинство квантовых компьютеров определяют энергетическое состояние кубита по измерению напряжения, что требует инженерно сложной системы усилителей, которая ограничивает масштабируемость квантового компьютера. Более того, такой метод требует много энергии и, самое главное, несет шум, который вносит ошибки в считывание кубита.
В качестве альтернативы можно использовать болометр — устройств для измерения мощности электромагнитного излучения: при попадании излучения прибор нагревается, в результате чего меняется его электрическое сопротивление. Пока, однако, скорость и чувствительность этих устройств были сильно ограничены.
В прошлом году ученые под руководством Микко Моттонена (Mikko Möttönen) из Университета Аалто разработали рекордно чувствительный болометр на основе сплава золота и палладия. Шумовая мощность оказалась на порядок ниже предыдущего рекорда, а время отклика — почти в 100 раз лучше, чем у других болометров. Однако, этого все еще не хватало для внедрения в квантовые компьютеры.
Лаборатория QCD, где разрабатывался и проводился эксперимент по болометрам.
Aalto University
Теперь та же группа ученых совместно с профессором Пертти Хаконеном (Pertti Hakonen) из Лаборатории низких температур Университета Аалто использовала в качестве активного элемента в болометре графен. У графена очень низкая теплоемкость, а это значит, что можно быстро обнаружить очень небольшие изменения его энергии. Такая скорость делает его идеальным активным элементов в болометрах для измерения не только кубитов, но и других квантовых систем.
Схема болометра на основе графена.
R. Kokkoniemi, et al. / Nature, 2020
Используя графен, исследователи создали устройство, которое может производить измерения за время порядка 200 наносекунд, что на порядки меньше времени когерентности современных сверхпроводящих квантовых систем. Более того, у графенового болометра рекордная чувствительность, а шумовая мощность составила 30 зептоватт на квадратный корень герца.
Изменение частоты болометра при попадании на него излучения. Частота меняется на несколько мегагерц при попадании рекордно малой энергии в несколько аттоватт.
R. Kokkoniemi, et al. / Nature, 2020
Про квантовую точность измерений вы можете прочитать в нашем материале «Связать и измерить», а больше про квантовые компьютеры и вычисления можно прочитать в нашей серии материалов «Квантовая азбука».
Михаил Перельштейн
Для этого физики косо сталкивали восемь плазменных струй
Британские и американские физики создали лабораторный аналог аккреционного диска, который возникает в космосе при падении газа на массивные объекты, например, черные дыры. В новом опыте, в отличие от предыдущих исследований, отсутствовали какие-либо стенки или ограничения для потоков — их закручивание происходило за счет нецентрального столкновения восьми плазменных струй. Плазменное кольцо продемонстрировало стабильность, что позволит в будущем исследовать роль магнитного поля в аккреции вещества. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Аккреционные потоки газа вокруг массивных тел встречаются во Вселенной довольно часто. Свет, испускаемый аккреционным диском, может свидетельствовать в том числе и о существовании черной дыры. Поведение газа, падающего на черную дыру, вызывает у исследователей множество вопросов, ответы на которые они добывают преимущественно теоретически. Лабораторные попытки понять физику аккреционного диска тоже существуют. Для этого физики создают потоки водно-глицериновых растворов или металлических расплавов в магнитном поле. Другой способ основан на подаче электрического тока на края холловской плазмы, удерживаемой постоянными магнитами. Недостатком всех этих методов остается наличие жестких границ, которые отсутствуют в космических процессах и искажают моделирование. Группа физиков под руководством Сергея Лебедева (Sergei Lebedev) из Имперского колледжа Лондона вместе с коллегами из США провели эксперимент, лишенный этого недостатка. Он заключался в косом сталкивании восьми плазменных струй, которые закручивались в кольцо. Их движение при этом напоминало движение вещества в аккреционном диске массивного тела. В эксперименте также образовывались характерные плазменные струи, перпендикулярные плоскости вращения. Установка физиков состояла из алюминиевых проволок толщиной 40 микрометров, расположенных в серединах ребер правильного восьмиугольника. Ученые пропускали через них импульсы большого тока (до 1,4 мегаампера на пике), что приводило к нагреву и абляции вещества. Магнитные поля формировали абляционные потоки и направляли их в середину установки, слегка отклоняя от центра. Столкновение потоков вещества формировало его в кольцо диаметром шесть миллиметров. Оно существовало не более 210 наносекунд, за время которого плазма делала от половины до двух оборотов. Физики следили за ее образованием и развитием в оптическом и экстремально-ультрафиолетовом диапазоне, что позволило исследовать распределение скоростей. Изображения показали, что плазменное кольцо стабильно в течение срока жизни, а само вращение происходит в квазикеплеровском режиме. Авторы также наблюдали плазменную струю, порожденную из вращающегося плазменного столба осевыми градиентами теплового и магнитного давления. Скорость вещества в ней составила 100±20 километров в секунду. Малый угол расходимости — 3±1 градус — свидетельствовал об отсутствии эффектов нестабильности. Струю также окружал плазменный ореол. В будущем авторы планируют продлить время жизни кольца за счет более долгих абляционных импульсов, для чего им потребуется использовать более толстые проволоки. Они убеждены, что замена алюминия на другие материалы позволит контролировать различные параметры магнитнодинамического потока. В будущем это позволит в лаборатории приблизиться к условиям, возникающим в астрофизических процессах, и понять роль нестабильности магнитных полей в аккреции вещества. Аккреционный диск — это не единственное явление, связанное с черными дырами, которое физики пытаются воспроизвести в лабораторных экспериментах. Ранее мы рассказывали, как течение воды в сливе раковины помогает изучать квазисвязанные состояния черных дыр, и как в конденсате Бозе — Эйнштейна подтвердили тепловой спектр излучения Хокинга.