Инженеры NIST представили ультрахолодный миниатюрный термометр для квантовых вычислений

Исследователи Национального института стандартов и технологий (NIST) изобрели миниатюрный сверхпроводящий термометр с большим потенциалом применения, например, для мониторинга температуры процессорных чипов в квантовых компьютерах на сверхпроводниках, которые должны оставаться холодными для нормальной работы.

Ключевые преимущества нового термометра

Прибор измеряет температуры ниже 1 кельвина (минус 272,15 °C / минус 457,87 °F), до 50 микрокельвинов (мК) и потенциально до 5 мК. Он меньше, быстрее и удобнее традиционных криогенных термометров для чиповых устройств и может производиться массово.

Технология является побочным продуктом пользовательских сверхпроводящих датчиков NIST для телескопических камер. Размером всего 2,5 на 1,15 мм, новый термометр может быть встроен в или приклеен к другому криогенному микроволновому устройству для измерения его температуры при монтаже на чипе. Исследователи использовали термометр для демонстрации быстрых, точных измерений нагрева сверхпроводящего микроволнового усилителя.

«Это была забавная идея, которая быстро превратилась в нечто очень полезное», — сказал руководитель группы Джоэл Уллом. «Термометр позволяет исследователям измерять температуру широкого спектра компонентов в их тестовых комплектах при очень низких затратах и без введения большого количества дополнительных электрических соединений. Это может принести пользу исследователям, работающим в области квантовых вычислений или использующим низкотемпературные датчики в широком спектре областей».

Принцип работы

Термометр состоит из сверхпроводящего ниобиевого резонатора, покрытого диоксидом кремния. Покрытие взаимодействует с резонатором, смещая частоту, на которой он естественно вибрирует. Ученые подозревают, что это связано с квантово-механическим эффектом «туннелирования» атомов между двумя позициями.

Термометр NIST основан на новом применении принципа зависимости естественной частоты резонатора от температуры. Прибор отображает изменения частоты в температуру. В отличие от этого, традиционные термометры для субкельвинных температур основаны на электрическом сопротивлении. Они требуют проводки, прокладываемой к комнатнотемпературной электронике, что добавляет сложность и потенциально вызывает нагрев и помехи.

Скорость и массовое производство

Термометр NIST измеряет температуру примерно за 5 миллисекунд, что намного быстрее большинства традиционных резистивных термометров (около одной десятой секунды). Термометры NIST также легко изготавливаются за один технологический этап. Их можно производить массово: на кремниевую пластину диаметром 3 дюйма (около 75 мм) помещается более 1200 приборов.