量子科学家准确测量的功率水平比平时低1万亿倍

芬兰的科学家开发出一种纳米设备，可以在超低温下测量微波辐射的绝对功率，低至飞瓦级——比可验证功率测量中常规使用的功率低万亿倍。该设备有可能显着推进量子技术中的微波测量。

量子科学主要发生在超低温下，使用称为稀释冰箱的设备。实验还必须在微小的能级下进行——低至单个光子的能级或更低。研究人员必须尽可能准确地测量这些极低的能量水平，这意味着还要考虑热量——这是量子设备的一个长期问题。

为了测量量子实验中的热量，科学家们使用一种特殊类型的温度计，称为测辐射热计。阿尔托大学和VTT的量子技术副教授MikkoMöttönen领导的团队最近在阿尔托大学开发了一种异常精确的测辐射热计，但该设备的不确定性比他们希望的要大。虽然这让他们能够观察到相对的能量水平，但他们无法非常准确地确定能量的绝对量。

在这项新研究中，Möttönen的团队与量子技术公司Bluefors和IQM以及芬兰VTT技术研究中心的研究人员合作改进了测辐射热计。这项工作于今天(5月25日)作为科学仪器评论的编辑精选发表。

“我们在测辐射热计上添加了一个加热器，因此我们可以应用已知的加热器电流并测量电压。由于我们知道我们投入加热器的精确功率，我们可以校准输入辐射对加热器的功率功率。结果是一个在低温下工作的自校准测辐射热计，这使我们能够在低温下准确测量绝对功率，”Möttönen说。

Bluefors量子应用总监RussellLake表示，新型测辐射热计是测量微波功率的重要一步。

“商用功率传感器通常以一毫瓦为单位测量功率。该测辐射热计在1飞瓦或更低时准确可靠地测量功率。这比典型功率校准中使用的功率低一万亿分之一。”

涵盖深度和广度

Möttönen解释说，新的测辐射热计可以提高量子计算机的性能。“为了获得准确的结果，用于控制量子位的测量线应该处于非常低的温度，[没有]任何热光子和过量辐射。现在有了这个测辐射热计，我们实际上可以测量辐射温度而不受量子位电路的干扰，“他说。

测辐射热计还涵盖了广泛的频率范围。

“传感器是宽带的，这意味着它可以测量在不同频率下吸收的功率。这在量子技术中不是给定的，因为通常传感器被限制在非常窄的频带内，”科学家Jean-PhilippeGirard说。在Bluefors，他之前也曾在Aalto工作过该设备。

该团队表示，测辐射热计为量子技术领域提供了重大推动力。

“测量微波发生在无线通信、雷达技术和许多其他领域。他们有自己的方法来进行精确测量，但是在测量用于量子技术的非常微弱的微波信号时却没有办法做到这一点。测辐射热计是一种先进的诊断方法迄今为止，量子技术工具箱中一直缺少这种仪器，”Lake说。

这项工作是阿尔托大学和Bluefors无缝合作的结果，是学术界和工业界优势互补的完美典范。该设备由阿尔托的量子计算和设备(QCD)小组开发，该小组隶属于芬兰科学院量子技术卓越中心(QTF)。他们使用了属于国家研究基础设施OtaNano的Micronova洁净室。自从在阿尔托进行首次实验以来，Bluefors还在自己的工业设施中成功测试了这些设备。

“这表明这不仅仅是大学实验室的幸运突破，而是从事量子技术的工业和学术专业人士都可以从中受益，”Möttönen说。