阿爾托大學的研究人員是世界上第一個用超靈敏的熱探測器測量量子位的人，從而避開了海森堡的不確定性原理。

在近期的量子計算機中，追求更高的量子比特數不斷需要新的工程技術。

在這場規模擴大競賽中，棘手的障礙之一是改進量子位的測量方式。被稱爲參數放大器的設備通常用于進行這些測量。但顧名思義，該設備放大從量子位接收到的微弱信號來進行讀出，這會産生不必要的噪聲，如果沒有額外的大組件保護，可能會導致量子位的退相幹。更重要的是，隨著尺寸有限的冰箱中量子比特計數的增加，放大鏈的龐大尺寸在技術上變得具有挑戰性。

基于輻射熱計的量子位測量

阿爾托大學研究小組量子計算和設備（QCD）。他們有大量的記錄表明熱輻射熱計可以用作超靈敏的探測器，他們剛剛在4月10日的《自然電子》雜志上發表的一篇論文中證明，輻射熱計的測量可以精確到足以進行單次量子位讀出。

克服海森堡測不准原理

令許多物理學家懊惱的是，海森堡測不准原理決定了一個人不能同時准確地知道信號的位置和動量，或者電壓和電流。用參數電壓電流放大器進行的量子位測量也是如此。但輻射熱能量感應是一種完全不同的測量方法，它是一種逃避海森堡臭名昭著的定律的方法。由于輻射熱計測量的是功率或光子數，因此它不像參數放大器那樣必然會添加源自海森堡測不准原理的量子噪聲。

納米熱計的優勢

與放大器不同，輻射熱計通過微創檢測接口非常微妙地感知量子比特發射的微波光子。這種外形尺寸大約比放大器小100倍，使其成爲極具吸引力的測量設備。

量子測量的發展與展望

“當想到量子至上的未來時，很容易想象數千甚至數百萬的高量子位計數可能是司空見慣的。仔細評估每個組件的占用空間對于這種大規模擴展是絕對必要的。我們已經在《自然電子》的論文中表明，我們的納米計可以被認真考慮作爲傳統放大器的替代品，”阿爾托大學教授米科Möttönen說，他是QCD研究小組的負責人。

“在我們的第一個實驗中，我們發現這些輻射熱計足夠精確，可以一次讀出，沒有額外的量子噪聲，而且它們比典型的放大器消耗的功率少1萬倍 —— 所有這些都在一個微小的輻射熱計中，其溫度敏感部分可以容納在單個細菌中，”Möttönen解釋說。

單次保真度是物理學家用來確定設備在一次測量中探測量子比特狀態的精確度，而不是多次測量的平均值。在QCD組的實驗中，他們能夠獲得61.8%的單次保真度，讀取持續時間約爲14微秒。當校正量子比特的能量松弛時間時，保真度躍升至92.7%。

未來增強的輻射讀數

“只要稍加修改，我們就可以看到測輻射熱計在200納秒內達到99.9%的單次保真度。例如，我們可以把測熱計的材料從金屬換成石墨烯，石墨烯的熱容量更低，可以快速檢測到能量的微小變化。通過去除輻射熱計和芯片本身之間其他不必要的組件，我們不僅可以在讀出保真度上取得更大的改進，而且我們可以實現更小更簡單的測量設備，使擴展到更高的量子位計數更加可行，”論文的第一作者，QCD組的博士研究員András Gunyhó說。

在他們最近的一篇論文中展示了輻射熱計的高單次讀出保真度之前，QCD研究小組首先在2019年證明了輻射熱計可以用于超靈敏的實時微波測量。2020年，他們在《自然》雜志上發表了一篇論文，展示了石墨烯制成的輻射熱計如何將讀數時間縮短到遠低于一微秒。

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