Aalto Üniversitesi, IQM ve Finlandiya Teknik Araştırma Merkezi VTT’den araştırmacılar, zeptojoule ölçeğinde enerji ölçümü yapabilen yeni bir kalorimetre geliştirdi. Çalışmada, sensörün 8,4 gigahertz frekansındaki mikrodalga sinyallerini algılayarak çözünürlüğün 0,83 zeptojoule düzeyine kadar inebildiği gösteriliyor. Bu değer, bir joule’ün milyarda birinin trilyonda birinden daha küçük bir enerji ölçeğine karşılık geliyor.
Geliştirilen cihaz, SNS olarak adlandırılan süperiletken-normal iletken-süperiletken yapıya dayanıyor. Sensörün merkezinde yaklaşık 150 nanometre genişliğinde ve 30 nanometre kalınlığında altın-paladyumdan oluşan bir nanotel yer alıyor. Bu nanotel iki temel bölümden oluşuyor. İlk bölüm, gelen mikrodalga enerjisini soğuran bir “absorber” gibi davranıyor. İkinci bölüm ise sıcaklık değişimini algılayan hassas bir termometre işlevi görüyor.
Üzerine yerleştirilen alüminyum süperiletken adacıklar sayesinde nanotel, Josephson bağlantıları gibi davranıyor. Josephson bağlantısı, iki süperiletken malzemenin arasına çok ince bir yalıtkan ya da normal iletken tabaka yerleştirildiğinde oluşan kuantum yapıya deniyor. Mikrodalga fotonları absorbere ulaştığında, burada çok küçük bir sıcaklık artışı oluşuyor ve artış, Josephson bağlantılarının tepkisini değiştiriyor.
Ölçüm 20 milikelvin sıcaklıkta yapıldı
Cihaz, 20 milikelvin sıcaklığa kadar soğutuldu. Bu sıcaklık, mutlak sıfıra son derece yakın bir ortam anlamına geliyor ve kuantum sistemlerin kararlı şekilde çalışması için gerekiyor. Deneylerde sensöre 8,40 gigahertz frekansında, yalnızca 1 mikrosaniye süren mikrodalga darbeleri gönderildi. Bu darbelerin enerjisi 0,95 ile 3,8 zeptojoule arasında değişti.
Bu enerji, 8,40 gigahertz frekansındaki yaklaşık 150 mikrodalga fotonuna karşılık geliyor. Çalışma henüz tek bir mikrodalga fotonunu doğrudan kalorimetrik olarak ölçmüyor; ancak bu hedefe doğru önemli bir adım sunuyor.
Ekip lideri Mikko Möttönen “Kalorimetre, kübitlerin ihtiyaç duyduğu aynı milikelvin sıcaklıklarında çalışıyor. Bu da sisteme daha az müdahale edilmesini sağlıyor. Çünkü ölçüm almak için cihazı yüksek sıcaklıklara çıkarmamız ya da kübit ölçüm sinyalini güçlendirmemiz gerekmiyor. Gelecekte cihazımız, örneğin kuantum bilgisayarlarda kübitleri okumak için kullanılan bileşenlerden biri olabilir.” dedi.
Bu teknolojinin en önemli kullanım alanlarından biri kuantum bilgisayarlar. Kübitler son derece hassas sistemler olduğu için onları ölçmek, çoğu zaman kuantum durumunu bozma riski taşıyor. Bu nedenle kübit okuma süreçlerinde hem hassas hem de sisteme mümkün olduğunca az müdahale eden yöntemlere ihtiyaç duyuluyor.
Çalışma yalnızca kuantum bilgisayarlarla sınırlı değil. Zayıf elektromanyetik sinyallerin ölçümü, astrofizik ve kozmolojide de büyük önem taşıyor. Özellikle karanlık madde adayı olarak değerlendirilen aksiyonların aranmasında, çok zayıf ve beklenmedik sinyallerin algılanması gerekiyor.
Kaynak: Nature Electronics