Un nouvel appareil peut mesurer les niveaux de puissance avec une précision et une sensibilité sans précédent, offrant une avancée majeure pour les technologies quantiques

Mesurer une puissance extrêmement faible

La science quantique se déroule principalement à des températures ultra-basses à l’aide d’appareils appelés réfrigérateurs à dilution. Les expériences doivent également être réalisées à des niveaux d’énergie minuscules – jusqu’au niveau d’énergie de photons uniques ou même moins. Les chercheurs doivent mesurer ces niveaux d’énergie extrêmement bas aussi précisément que possible, ce qui signifie également tenir compte de la chaleur – un problème persistant pour les appareils quantiques.

Pour mesurer la chaleur dans les expériences quantiques, les scientifiques utilisent un type spécial de thermomètre appelé bolomètre. Un bolomètre d’une précision exceptionnelle a récemment été développé à Aalto par une équipe dirigée par Mikko Möttönen, professeur agrégé de technologie quantique à Aalto et VTT, mais l’appareil présentait plus d’incertitude qu’ils ne l’avaient espéré. Bien que cela leur ait permis d’observer le niveau de puissance relatif, ils ne pouvaient pas déterminer très précisément la quantité absolue d’énergie.

Dans la nouvelle étude, l’équipe de Möttönen a travaillé avec des chercheurs des sociétés de technologie quantique Bluefors et IQM, et du Centre de recherche technique VTT de Finlande pour améliorer le bolomètre.

«Nous avons ajouté un élément chauffant au bolomètre, afin de pouvoir appliquer un courant de chauffage connu et mesurer la tension. Puisque nous connaissons la quantité précise de puissance que nous mettons dans le radiateur, nous pouvons calibrer la puissance du rayonnement d’entrée par rapport à la puissance du radiateur. Le résultat est un bolomètre auto-étalonnant fonctionnant à basse température, ce qui nous permet de mesurer avec précision les puissances absolues à des températures cryogéniques», explique Möttönen.

Selon Russell Lake, directeur des applications quantiques chez Bluefors, le nouveau bolomètre est une avancée significative dans la mesure de la puissance des micro-ondes.

«Les capteurs de puissance commerciaux mesurent généralement la puissance à l’échelle d’un milliwatt. Ce bolomètre le fait avec précision et fiabilité à un femtowatt ou moins. C’est mille milliards de fois moins de puissance que celle utilisée dans les étalonnages de puissance typiques.

Couvrant à la fois les échelles profondes et larges

Möttönen explique que le nouveau bolomètre pourrait améliorer les performances des ordinateurs quantiques. «Pour des résultats précis, les lignes de mesure utilisées pour contrôler les qubits doivent être à très basse température, dépourvues de photons thermiques et de rayonnement excessif. Maintenant, avec ce bolomètre, nous pouvons réellement mesurer cette température de rayonnement sans interférence du circuit qubit», dit-il.

Le bolomètre couvre également une très large gamme de fréquences.

«Le capteur est à large bande, ce qui signifie qu’il peut mesurer quelle est la puissance absorbée dans différentes fréquences. Ce n’est pas acquis dans la technologie quantique, car les capteurs sont généralement limités à une bande très étroite», explique Jean-Philippe Girard, scientifique chez Bluefors qui a également travaillé chez Aalto sur l’appareil.

L’équipe affirme que le bolomètre donne un coup de pouce majeur aux domaines de la technologie quantique.

«La mesure des micro-ondes se produit dans les communications sans fil, la technologie radar et de nombreux autres domaines. Ils ont leurs façons d’effectuer des mesures précises, mais il n’y avait aucun moyen de faire la même chose lors de la mesure de signaux micro-ondes très faibles pour la technologie quantique. Le bolomètre est un instrument de diagnostic avancé qui manquait jusqu’à présent dans la boîte à outils de la technologie quantique», déclare Lake.

Le travail est le résultat d’une collaboration harmonieuse entre l’Université Aalto et Bluefors, un exemple parfait de l’académie et de l’industrie qui se complètent mutuellement. L’appareil a été développé au sein du groupe Quantum Computing and Devices (QCD) d’Aalto, qui fait partie du Centre d’excellence en technologie quantique (QTF) de l’Académie de Finlande. Ils ont utilisé les salles blanches Micronova qui appartiennent à l’infrastructure de recherche nationale OtaNano. Depuis les premières expériences chez Aalto, Bluefors a également testé avec succès ces dispositifs dans ses propres installations industrielles.

«Cela montre qu’il ne s’agit pas seulement d’une chance dans un laboratoire universitaire, mais de quelque chose dont les professionnels industriels et universitaires travaillant dans la technologie quantique peuvent bénéficier», déclare Möttönen.