Resumo interno:
- As medições de potência de RF e micro-ondas são usadas em todos os campos, como exploração espacial, defesa e computação quântica, onde a precisão e a confiabilidade sob condições extremas são importantes.
- Pesquisadores do Laboratório Nacional de Física e da Keysight Technologies alcançaram o primeiro uso bem-sucedido de um sensor de potência de RF comercial em temperaturas criogênicas de até 3 Kelvin, adequado para suportar as medições precisas necessárias para o confinamento quântico.
- Dispositivos quânticos, incluindo qubits, requerem temperaturas criogênicas para manter a coerência e a estabilidade; este estudo modificou um sensor RF de temperatura ambiente para operar com precisão nessas baixas temperaturas, abordando desafios como integridade do sinal e precisão de medição.
As medições de radiofrequência e micro-ondas são importantes em diversos campos, desde a exploração espacial até sistemas de defesa. Ao permitir a especificação precisa de formas de onda, componentes, circuitos e sistemas, essas medições contribuem para uma engenharia de alta precisão. A importância de tais medições é ainda mais proeminente em campos que dependem fortemente de extrema precisão, como a computação quântica e a tecnologia criogénica, onde os dispositivos devem funcionar de forma fiável sob condições desafiantes.
Em um projeto colaborativo recente, pesquisadores do Laboratório Nacional de Física e da Keysight Technologies demonstraram o desempenho de um sensor de energia de RF disponível comercialmente em temperaturas cristalinas – até 3 Kelvin. Segundo o anúncio, essa conquista é a primeira do gênero; o primeiro uso bem-sucedido de tal sensor em temperaturas tão baixas, adequado para aplicações de energia de RF em níveis criogênicos.
Funciona em padrões criogênicos
Dispositivos quânticos, ou mais especificamente, qubits, requerem temperaturas criogênicas – geralmente apenas alguns graus acima do zero absoluto – para manter seus estados quânticos suaves. Em altas temperaturas, a energia térmica excita átomos e elétrons, causando vibrações que introduzem ruído e perturbam a estabilidade desses estados quânticos.
Em termos práticos, este “ruído térmico” pode fazer com que os qubits percam a sua coerência, um estado em que não conseguem manter sobreposições e realizar cálculos quânticos de forma eficaz. Ao resfriá-los a níveis criogênicos, essa energia térmica perturbadora pode ser reduzida para que os qubits possam operar com mais estabilidade e confiabilidade.
No entanto, manter estas baixas temperaturas traz consigo o seu próprio conjunto de desafios. Em temperaturas criogênicas, mesmo pequenos distúrbios ou inconsistências na medição podem afetar o desempenho quântico. Por exemplo, a integridade do sinal torna-se mais difícil de manter porque os componentes electrónicos comuns podem comportar-se de forma diferente sob condições extremas.
Além disso, garantir medições precisas de RF e micro-ondas não é negociável, pois pequenos erros podem interromper a comunicação entre qubits ou outros componentes quânticos. Este projeto abordou essas complexidades testando um sensor de potência de RF comercial – o modelo N8481S da Keysight – normalmente projetado para operação em temperatura ambiente, mas agora sendo otimizado para uso em níveis criogênicos.
A resposta da termopilha do sensor, a tensão produzida pelo sensor da termopilha em resposta ao calor absorvido e importante para medir a potência de RF, foi testada em níveis que variam de -35 dBm a 0 dBm em todas as frequências de 100 kHz a 10 GHz, o que fornece Rastreabilidade SI usando uma técnica bem conhecida de conversão de energia DC. A rastreabilidade do SI garante que essas medições mantenham a consistência global, o que é um requisito para trabalhos científicos de alta precisão.
Metrologia criogênica para medições precisas em tecnologia quântica
De acordo com o artigo de pesquisa que acompanha, apresentado na Conferência sobre Medições Eletromagnéticas de Precisão (CPEM) de 2024, o uso deste sensor em temperaturas criogênicas é um desenvolvimento importante no campo da metrologia. Como afirmado pelo cientista-chefe do NPL, Dr. Murat Celep, “A NPL tem mais de 60 anos de experiência em metrologia rastreável de RF e energia de microondas. Essa experiência, combinada com as instalações de testes criogênicos de última geração da NPL e a colaboração com a Keysight, nos permitiu demonstrar medições rastreáveis de energia criogênica para SI. Este é um momento emocionante e esperamos ver a inovação quântica continuar. ”
Para entender melhor como isso se relaciona com o uso da tecnologia quântica, vale a pena examinar mais de perto o funcionamento da própria tecnologia. Para adaptar o sensor para uso criogênico, os pesquisadores conectaram termopilhas – componentes que geram força eletromotriz com base nas diferenças de temperatura – a um nanovoltímetro, que detecta com precisão pequenas tensões causadas pelo calor. O desempenho do sensor de RF foi demonstrado usando uma tensão CC estável, o que permitiu à equipe medir a potência de RF até -35 dBm sem exceder a temperatura de configuração criogênica.
Um gerador de sinal forneceu a potência de RF e a saída da termopilha foi usada para calcular a potência de RF espalhada dentro do sensor. Segundo a pesquisa, a precisão alcançada em 3 Kelvin abre caminho para medições de energia rastreáveis, tão necessárias na tecnologia quântica. Essa capacidade pode impactar uma variedade de aplicações, desde detecção até o desenvolvimento de circuitos quânticos complexos.
Direções futuras
O gerente geral do Grupo de Soluções Aeroespaciais, de Defesa e Governamentais da Keysight Technologies, Greg Patschke, enfatizou a importância desses resultados, comentando: “Nossos esforços conjuntos abriram caminho para avanços na computação quântica e outras aplicações que exigem medições precisas de energia de RF. ” -criogênico. temperaturas.” Ele continuou: “Isso representa um marco significativo e estamos muito entusiasmados por trabalhar com a NPL nesta pesquisa inovadora”.
A complexidade e o poder das medições criogênicas de RF refletem a tecnologia quântica que ela pode empregar. À medida que os sistemas quânticos evoluem e se expandem para novas aplicações, desenvolvimentos como os desta investigação fornecerão a espinha dorsal para chegar lá.
Os autores que contribuíram para o estudo incluem Murat Celep, Sang-Hee Shin, Manoj Stanley, Eric Breakenridge, Suren Singh e Nick Ridler.
