一幅艺术插图展示了微观辐射热计(如右图所示)如何用于感知量子比特(如左图所示)发出的非常微弱的辐射。来源:Aleksandr K?kinen/阿尔托大学

　　阿尔托大学的研究人员是世界上第一个用超灵敏的热探测器测量量子位的人，从而避开了海森堡的不确定性原理。

　　在近期的量子计算机中，追求更高的量子比特数不断需要新的工程技术。

　　在这场规模扩大竞赛中，棘手的障碍之一是改进量子位的测量方式。被称为参数放大器的设备通常用于进行这些测量。但顾名思义，该设备放大从量子位接收到的微弱信号来进行读出，这会产生不必要的噪声，如果没有额外的大组件保护，可能会导致量子位的退相干。更重要的是，随着尺寸有限的冰箱中量子比特数的增加，放大链的庞大尺寸在技术上变得难以解决。

　　Bolometer-based量子位测量

　　阿尔托大学研究小组量子计算和设备(QCD)。他们有大量的记录表明热辐射热计可以用作超灵敏的探测器，他们刚刚在4月10日的《自然电子》杂志上发表的一篇论文中证明，辐射热计的测量可以精确到足以进行单次量子位读出。

　　克服海森堡测不准原理

　　令许多物理学家懊恼的是，海森堡测不准原理决定了一个人不能同时准确地知道信号的位置和动量，或者电压和电流。用参数电压电流放大器进行的量子位测量也是如此。但辐射热能量感应是一种完全不同的测量方法，它是一种逃避海森堡臭名昭著的定律的方法。由于辐射热计测量的是功率或光子数，因此它不像参数放大器那样必然会添加源自海森堡测不准原理的量子噪声。

　　纳米热计的优势

　　与放大器不同，辐射热计通过微创检测接口非常微妙地感知量子比特发射的微波光子。这种外形尺寸大约比放大器小100倍，使其成为极具吸引力的测量设备。

　　量子测量的发展与展望

　　“当想到量子至上的未来时，很容易想象数千甚至数百万的高量子位计数可能是司空见惯的。仔细评估每个组件的占用空间对于这种大规模扩展是绝对必要的。我们已经在《自然电子》的论文中表明，我们的纳米计可以被认真考虑作为传统放大器的替代品，”阿尔托大学教授米科M?tt?nen说，他是QCD研究小组的负责人。

　　“在我们的第一个实验中，我们发现这些辐射热计足够精确，可以一次读出，没有额外的量子噪声，而且它们比典型的放大器消耗的功率少1万倍——所有这些都在一个微小的辐射热计中，其温度敏感部分可以容纳在单个细菌中，”M?tt?nen解释说。

　　单次保真度是物理学家用来确定设备在一次测量中探测量子比特状态的精确度，而不是多次测量的平均值。在QCD组的实验中，他们能够获得61.8%的单次保真度，读取持续时间约为14微秒。当校正量子比特的能量松弛时间时，保真度跃升至92.7%。

　　未来增强的辐射读数

　　“只要稍加修改，我们就可以看到测辐射热计在200纳秒内达到99.9%的单次保真度。例如，我们可以把测热计的材料从金属换成石墨烯，石墨烯的热容量更低，可以快速检测到能量的微小变化。通过去除辐射热计和芯片本身之间其他不必要的组件，我们不仅可以在读出保真度上取得更大的改进，而且我们可以实现更小更简单的测量设备，使扩展到更高的量子位计数更加可行，”论文的第一作者，QCD组的博士研究员András Gunyhó说。

　　在他们最近的一篇论文中展示了辐射热计的高单次读出保真度之前，QCD研究小组首先在2019年证明了辐射热计可以用于超灵敏的实时微波测量。2020年，他们在《自然》杂志上发表了一篇论文，展示了石墨烯制成的辐射热计如何将读数时间缩短到远低于一微秒。

　　参考文献:“使用热探测器的超导量子位的单次读出”，作者:András M. Gunyhó， Suman Kundu, Jian Ma, Wei Liu, Sakari Niemel?， Giacomo Catto, Vasilii Vadimov, Visa Vesterinen, Priyank Singh, Qiming Chen和Mikko M?tt?nen, 2024年4月10日，自然电子。DOI: 10.1038 / s41928 - 024 - 01147 - 7

　　这项工作是在芬兰量子技术卓越中心(QTF)研究委员会与芬兰VTT技术研究中心和IQM量子计算机合作，使用OtaNano研究基础设施进行的。它主要由欧洲研究委员会高级资助概念、简和阿托斯·埃尔科基金会的未来制造者计划和芬兰百年科技产业基金会资助。