Финские ученые разработали сверхчувствительный метод измерения тепловой энергии, зафиксировав импульс мощностью менее одного зептоджоуля. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Electronics, могут ускорить развитие квантовых вычислений и упростить поиск гипотетических частиц темной материи.
Эксперимент провели специалисты Университета Аалто в сотрудничестве с производителем квантовых компьютеров IQM и Центром технических исследований Финляндии (VTT). В ходе испытаний им удалось измерить электромагнитный сигнал мощностью всего 0,83 зептоджоуля. Зептоджоуль представляет собой экстремально малую величину, равную одной секстиллионной части джоуля. Примерно столько же энергии требуется, чтобы поднять эритроцит на один нанометр вверх в условиях земного тяготения.
Для регистрации столь слабого сигнала физики использовали специально сконструированный калориметр. Его чувствительный элемент состоит из двух типов металлов – сверхпроводников и обычных проводников. Из-за такого сочетания материалов состояние сверхпроводимости становится нестабильным и разрушается даже при минимальном повышении температуры в охлажденном проводнике. Измерив это изменение, ученые смогли зафиксировать микроволновый импульс.
Подобная чувствительность открывает новые возможности для квантовых технологий. Разработанный калориметр работает при сверхнизких температурах порядка нескольких милликельвинов – в том же диапазоне, который необходим для функционирования кубитов, базовых элементов квантового компьютера. Это позволяет считывать состояние кубитов без тепловых помех и необходимости усиливать сигнал, что снижает вероятность ошибок в вычислениях.
В перспективе предложенная технология позволит вести точный подсчет единичных фотонов. Ученые рассчитывают адаптировать прибор для регистрации сигналов с произвольным временем прибытия. Это критически важно для астрофизических исследований, в частности для обнаружения аксионов – легких нейтральных частиц, которые физики рассматривают в качестве кандидатов на роль темной материи.
Работа проводилась на базе финского национального исследовательского центра нанотехнологий OtaNano при финансовой поддержке фонда Джейн и Аатоса Эркко, а также фонда финской технологической индустрии.
