韩国的POSTECH 、哈佛大学(Harvard University)的Raytheon BBN技术公司、美国的麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)、西班牙的巴塞罗那科技研究所(Barcelona Institute of Science and Technology)和日本的国家材料科学研究所(National Institute for Materials Science)的一个联合国际研究小组共同开发了超敏感传感器,可以探测理论上可能高度敏感的微波。这些研究结果发表在著名的国际学术期刊《自然》(Nature)上,正在引起人们的注意,认为它们是将包括量子计算机在内的下一代技术商业化的有利技术。
微波用于广泛的科学和技术领域,包括移动通信、雷达和天文学。最近积极进行了研究,以探测对量子计算和量子通信等下一代量子技术极其敏感的微波。
目前,微波功率可以用一个称为"波压计"的装置探测出来。压力计通常由三种材料组成:电磁吸收材料、将电磁波转化为热的材料和将产生的热转化为电阻的材料。该压力计计算利用电阻变化吸收的电磁波的数量。使用压力计中的硅和砷镓等半导体二极管,在室温下运行的最先进商业压力计的敏感度以1纳米瓦特(10亿瓦)为限,平均值为1秒。
研究小组打破了这一限制,对设备的材料和结构进行了创新。首先,小组使用石墨作为吸收电磁波的材料。Graphene由一层碳原子组成,电子加热能力非常小。热量容量小意味着,即使吸收的能量很小,也会引起温度的巨大变化。微波光子的能量很小,但如果被石墨吸收,可导致温度大幅上升。问题是石墨冷却温度的上升非常快,因此难以衡量变化情况。
为了解决这个问题,研究小组采用了一种称为Josephson交叉路口的装置。这一量子装置由超导-图形-超导器(SGS)组成,可通过电力过程在10微秒(秒1万分之一)内检测温度变化。这样就可以探测到石墨的温度变化和由此产生的电阻。
将这些关键成分结合起来,研究人员达到了1 aW / Hz1 / 2的噪音当量,这意味着该装置可在1 aW(1万瓦)内解决1 aW(1万瓦)。
“这项研究的重要意义在于,它已经建立了一种可扩缩的技术,使下一代量子设备成为可能, ”该研究的负责人、 POSTECH的李吉浩教授(Gil - Ho Lee)说。他进一步解释说, "这项研究开发了一种测量单位时间吸收多少微波光子的辐射计技术。但目前,我们正在开发一种能够区分每个微波光子的单光子探测技术" 。他最后说, "我们期望这项技术能最大限度地提高量子计算的计量效率,并大幅度减少间接资源,使大型量子计算机能够得到极大的使用。Raytheon BBN Technologies的Kin Chung Fong博士评论说, “我们看到,在射电天文学领域研究宇宙起源的人和在粒子物理学领域研究暗物质的人对这项研究产生了意想不到的兴趣。 ”他还说, “这是基础科学研究如何应用于各个领域的一个例子。 ”
