Ερευνητές μέτρησαν την ενέργεια που χρειάζεται ένα ερυθρό αιμοσφαίριο για να κινηθεί 1 νανόμετρο!

Σύνοψη

• Το Πανεπιστήμιο Aalto, η VTT και η εταιρεία κβαντικών υπολογιστών IQM κατέγραψαν το ρεκόρ μέτρησης ενέργειας στα 0.83 zeptojoules.
• Η ποσότητα αυτή αντιστοιχεί στο έργο που απαιτείται για να μετακινηθεί ένα ερυθρό αιμοσφαίριο κατά ένα νανόμετρο ενάντια στη βαρύτητα της Γης.
• Ο νέος υπερευαίσθητος αισθητήρας λειτουργεί στη θερμοκρασία των 20 millikelvins και εκμεταλλεύεται την αστάθεια των υπεραγωγών στις μικρομεταβολές της θερμοκρασίας.
• Η μέθοδος επιλύει το πρόβλημα του θορύβου κατά την ανάγνωση των qubits, καταργώντας την ανάγκη για ενεργοβόρες αλυσίδες ενίσχυσης σήματος.
• Η έρευνα ανοίγει νέους δρόμους για την ανίχνευση της Σκοτεινής Ύλης και την ακριβή καταμέτρηση μεμονωμένων φωτονίων μικροκυμάτων.

Η μέτρηση της ενέργειας στο κβαντικό επίπεδο απαιτεί τεχνολογικό εξοπλισμό με ακρίβεια που προκαλεί τα όρια της σύγχρονης φυσικής. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Aalto, σε συνεργασία με το Τεχνικό Ερευνητικό Κέντρο της Φινλανδίας (VTT) και την εταιρεία ανάπτυξης κβαντικών υπολογιστών IQM, ανακοίνωσαν τη δημιουργία ενός αισθητήρα ικανού να καταγράφει ποσότητες ενέργειας μικρότερες από ένα zeptojoule. Το συγκεκριμένο επίτευγμα, το οποίο δημοσιεύτηκε επίσημα στο Nature Electronics, επαναπροσδιορίζει τον τρόπο με τον οποίο προσεγγίζουμε την κβαντική ανάγνωση δεδομένων.

Για να γίνει κατανοητή η κλίμακα, ένα zeptojoule (10^-21 Joules) ισούται με το ένα τρισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του joule. Πρακτικά, αποτελεί την ενέργεια που θα χρειάζονταν για να ανυψωθεί ένα μεμονωμένο ερυθρό αιμοσφαίριο κατά ένα νανόμετρο ενάντια στο βαρυτικό πεδίο της Γης. Η ερευνητική ομάδα, υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Mikko Möttönen, πέτυχε μέτρηση στα 0.83 zeptojoules, καταγράφοντας ιστορικό υψηλό ευαισθησίας.

Ο νέος υπερευαίσθητος θερμιδομετρικός αισθητήρας του Πανεπιστημίου Aalto λειτουργεί στους 20 millikelvins, ενώ χρησιμοποιεί συνδυασμό υπεραγώγιμων και κανονικών μετάλλων για να ανιχνεύσει ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς των 0.83 zeptojoules, καταγράφοντας ελάχιστες θερμοκρασιακές μεταβολές που επηρεάζουν την επαγωγή του συστήματος.

Η μέτρηση σε αυτή την κλίμακα δεν είναι απλώς η εκπομπή μιας δέσμης και η καταγραφή της επιστροφής της. Ο αισθητήρας που αναπτύχθηκε είναι ουσιαστικά ένα υπερευαίσθητο θερμιδόμετρο (calorimeter). Η αρχιτεκτονική του βασίζεται στην τοποθέτηση ενός νανοκαλωδίου στο οποίο διεισδύει αλουμίνιο, δημιουργώντας επαφές SNS (Superconductor-Normal-Superconductor) Josephson συνδεδεμένες σε σειρά. Οι ερευνητές απέστειλαν έναν παλμό μικροκυμάτων διάρκειας 7 ms, με συχνότητα 8.40 GHz και ισχύ μόλις -149.2 dBm στο κύκλωμα.

Ο σχεδιασμός εκμεταλλεύεται την ίδια την ευπάθεια των υπεραγωγών. Τα υπεραγώγιμα υλικά επιτρέπουν την ανεμπόδιστη ροή του ρεύματος, όμως ο συνδυασμός τους με κανονικούς αγωγούς στο κύκλωμα σημαίνει ότι η ελάχιστη αύξηση της θερμοκρασίας αλλοιώνει άμεσα την υπεραγώγιμη κατάσταση. Η ενέργεια των μικροκυμάτων διεγείρει τα οιονεί σωματίδια (quasiparticles) στο τμήμα απορρόφησης, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του ηλεκτρονίου σε χρονική κλίμακα νανοδευτερολέπτων. Αυτή η μεταβολή μειώνει το κρίσιμο ρεύμα και αυξάνει την επαγωγή Josephson. Μέσω ενός πυκνωτή 134-pF, σχηματίζεται ένας ταλαντωτής LC, του οποίου η μετατόπιση της συχνότητας συντονισμού υποδηλώνει με απόλυτη ακρίβεια την ποσότητα της ενέργειας που απορροφήθηκε, έπειτα από προηγμένο φιλτράρισμα του σήματος.

Ποιες είναι οι εφαρμογές στους κβαντικούς υπολογιστές;

Η ικανότητα μέτρησης σε επίπεδο zeptojoule επιτρέπει την απευθείας ανάγνωση των qubits στους κβαντικούς υπολογιστές, χωρίς την ανάγκη ογκωδών και θορυβωδών ενισχυτών. Η τεχνολογία αυτή μειώνει το κβαντικό σφάλμα, επιταχύνει τους υπολογισμούς και διευκολύνει την καταμέτρηση μεμονωμένων φωτονίων σε κρυογονικές συνθήκες.

Στους σημερινούς κβαντικούς υπολογιστές, η ανάγνωση της κατάστασης ενός qubit απαιτεί πολύπλοκες αλυσίδες ενίσχυσης του σήματος, οι οποίες εισάγουν θερμικό θόρυβο και καταλαμβάνουν πολύτιμο χώρο εντός των ψυγείων αραίωσης. Ο νέος αισθητήρας μπορεί να λειτουργήσει στις ίδιες ακραίες θερμοκρασίες (20 mK) με τα qubits. Αυτό σημαίνει ότι το κύκλωμα ανάγνωσης μπορεί να τοποθετηθεί σε άμεση γειτνίαση με τον επεξεργαστή, καταργώντας τα πολλαπλά στάδια ενίσχυσης. Παράλληλα, εξαλείφεται η οπισθοδραστική παρεμβολή που αλλοιώνει την κατάσταση του qubit κατά τη μέτρηση.

Οι επιστήμονες υπογραμμίζουν ότι η έρευνα δεν σταματά στα 0.83 zeptojoules. Εάν στο μέλλον το υλικό απορρόφησης αντικατασταθεί με ουσίες χαμηλότερης θερμοχωρητικότητας, όπως το γραφένιο, το θεωρητικό όριο ευαισθησίας μπορεί να πέσει εντυπωσιακά στα 0.05 zeptojoules. Μια τέτοια ευαισθησία υπερβαίνει τις ανάγκες των κβαντικών επεξεργαστών και εισέρχεται στο πεδίο της βασικής φυσικής, παρέχοντας τα απαραίτητα εργαλεία για την ανάπτυξη νέων ανιχνευτών στην παγκόσμια αναζήτηση για τον εντοπισμό της Σκοτεινής Ύλης.