Сверхпроводящие квантовые компьютеры станут компактнее благодаря графену

На днях в один и тот же день в издании Nature были опубликованы две разные статьи, посвящённые прибору на основе графена. Этот прибор — болометр, изобретённое около 150 лет назад устройство для регистрации электромагнитного излучения. Интересно, что оба новых исследования с использованием графена продвинули этот материал в новейшую область — сферу квантовых компьютеров. Графен, как выясняется, пригодится даже там.

Для считывания состояния кубитов в сверхпроводящих квантовых компьютерах обычно используют замеры напряжений и сложные схемы усилителей, что делает конструкцию очень громоздкой и препятствует наращиванию производительности. Выходом может стать измерение энергии электромагнитного поля кубита, но для этого нужен крайне чувствительный датчик с высочайшей скоростью измерения энергии. Теоретически на эту роль годятся болометры, но до сих пор для этого не было предложено датчика с подходящими параметрами.

Группа финских учёных из Университета Аалто предложила в качестве чувствительного элемента болометра использовать графен. Графен обладает очень низкой теплоёмкостью. Даже небольшое изменение энергии ведёт к изменению температуры графена и меняет его сопротивление, а именно так и работают болометры. Падающее на них электромагнитное излучение ведёт к нагреву активного элемента и через изменение его сопротивления позволяет измерить энергию излучения.

Созданное финскими учёными устройство оказалось способно измерить энергию излучения за 200 наносекунд или около того, что с огромным запасом перекрывает время когерентности кубитов в современных сверхпроводящих квантовых компьютерах. Чувствительность прибора также оказалась рекордной для аналогичных решений. Прибор фиксировал изменение в несколько мегагерц при попадании на него энергии в несколько аттоватт.

Похожее по действию устройство предложили также исследователи из США и Южной Кореи, что нашло отражение во второй статье в Nature. Команда из Гарвардского университета, Массачусетского технологического института, Института фотонных наук, Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) и компании Raytheon BBN Technologies сообщила, что её графеновый датчик способен «в 100 тыс. раз превзойти коммерческие аналоги».

Болометр американских учёных, как и болометр финских исследователей, использует в виде активного (регистрирующего) элемента графен. Но он ещё имеет в своей основе так называемый джозефсоновский переход, что позволяет дополнительно повысить точность измерений. Утверждается, что изобретённая учёными система способна зафиксировать энергию одиночного фотона. Подобная чувствительность, кстати, это не только путь к квантовым компьютерам, но также возможность создать крайне чувствительные радары, лидары и прочие локационные решения. Поэтому, например, все исследования американской группы финансируются военными.