量子科学家准确地测量了比平时低一万亿倍的功率水平

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。

测量极低的功率

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量水平下进行——低至单光子的能量水平甚至更低。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——这是量子设备一直存在的问题。

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。由阿尔托和 VTT 的量子技术副教授Mikko Möttönen领导的团队最近在阿尔托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。这项工作今天作为科学仪器评论的编辑精选发表：https://doi.org/10.1063/5.0143761

'我们在测辐射热计上加了一个加热器，这样我们就可以施加已知的加热器电流并测量电压。由于我们知道输入加热器的精确功率，我们可以根据加热器功率校准输入辐射的功率。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Russell Lake表示，新型测辐射热计是测量微波功率的重要一步。

'商业功率传感器通常测量一毫瓦级的功率。该测辐射热计在 1 飞瓦或以下时准确可靠地完成这项工作。这比典型功率校准中使用的功率低一万亿倍。

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下，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非常广泛的频率范围。

'传感器是宽带的，这意味着它可以测量在各种频率下吸收的功率是多少。这在量子技术中不是给定的，因为通常传感器被限制在一个非常窄的波段，” Bluefors 的科学家Jean-Philippe Girard说，他曾在 Aalto 研究过该设备。

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，但在为量子技术测量非常微弱的微波信号时，却无法做到这一点。测辐射热计是一种先进的诊断仪器，直到现在量子技术工具箱中还没有它，”雷克说。

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。

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