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Cientistas na Finlândia desenvolveram um nanodispositivo que pode medir a potência absoluta da radiação de micro-ondas até o nível de femtowatt em temperaturas ultrabaixas – uma escala trilhão de vezes menor do que a usada rotineiramente em medições de energia verificáveis. O dispositivo tem potencial para avançar significativamente as medições de micro-ondas na tecnologia quântica.
Medição de potência extremamente baixa
A ciência quântica ocorre principalmente em temperaturas ultrabaixas usando dispositivos chamados refrigeradores de diluição. Os experimentos também precisam ser feitos em níveis de energia minúsculos – até o nível de energia de fótons individuais ou até menos. Os pesquisadores precisam medir esses níveis de energia extremamente baixos com a maior precisão possível, o que significa também contabilizar o calor – um problema persistente para dispositivos quânticos.
Para medir o calor em experimentos quânticos, os cientistas usam um tipo especial de termômetro chamado bolômetro. Um bolômetro excepcionalmente preciso foi desenvolvido recentemente em Aalto por uma equipe liderada por Mikko Möttönen, professor associado de tecnologia quântica em Aalto e VTT, mas o dispositivo tinha mais incerteza do que eles esperavam. Embora lhes permitisse observar o nível de energia relativo, eles não podiam determinar a quantidade absoluta de energia com muita precisão.
No novo estudo, a equipe de Möttönen trabalhou com pesquisadores das empresas de tecnologia quântica Bluefors e IQM e do Centro de Pesquisa Técnica VTT da Finlândia para melhorar o bolômetro.
‘Adicionamos um aquecedor ao bolômetro, para que possamos aplicar uma corrente de aquecimento conhecida e medir a voltagem. Como sabemos a quantidade exata de energia que estamos colocando no aquecedor, podemos calibrar a energia da radiação de entrada em relação à energia do aquecedor. O resultado é um bolômetro autocalibrável trabalhando em baixas temperaturas, o que nos permite medir com precisão poderes absolutos em temperaturas criogênicas’, diz Möttönen.
De acordo com Russell Lake, diretor de aplicações quânticas da Bluefors, o novo bolômetro é um passo significativo na medição da potência de micro-ondas.
‘Sensores de potência comercial normalmente medem a potência na escala de um miliwatt. Este bolômetro faz isso com precisão e confiabilidade em um femtowatt ou menos. Isso é um trilhão de vezes menos energia do que a usada em calibrações de energia típicas.’
Abrangendo escalas profundas e amplas
Möttönen explica que o novo bolômetro pode melhorar o desempenho dos computadores quânticos. ‘Para resultados precisos, as linhas de medição usadas para controlar os qubits devem estar em temperaturas muito baixas, sem fótons térmicos e excesso de radiação. Agora, com este bolômetro, podemos realmente medir a temperatura da radiação sem interferência do circuito qubit’, diz ele.
O bolômetro também cobre uma faixa muito ampla de frequências.
‘O sensor é de banda larga, o que significa que ele pode medir qual é a potência absorvida em várias frequências. Isso não é um dado adquirido na tecnologia quântica, pois geralmente os sensores são limitados a uma banda muito estreita”, diz Jean-Philippe Girard, cientista da Bluefors que também trabalhou anteriormente na Aalto no dispositivo.
A equipe diz que o bolômetro fornece um grande impulso aos campos da tecnologia quântica.
‘A medição de microondas acontece em comunicações sem fio, tecnologia de radar e muitos outros campos. Eles têm suas maneiras de realizar medições precisas, mas não havia como fazer o mesmo ao medir sinais de micro-ondas muito fracos para a tecnologia quântica. O bolômetro é um instrumento de diagnóstico avançado que estava faltando na caixa de ferramentas da tecnologia quântica até agora”, diz Lake.
O trabalho é resultado da colaboração perfeita entre a Aalto University e a Bluefors, um exemplo perfeito de academia e indústria complementando os pontos fortes uma da outra. O dispositivo foi desenvolvido no grupo de Computação Quântica e Dispositivos (QCD) da Aalto, que faz parte do Centro de Excelência em Tecnologia Quântica (QTF) da Academia da Finlândia. Eles usaram salas limpas Micronova que pertencem à infraestrutura nacional de pesquisa OtaNano. Desde os primeiros experimentos em Aalto, a Bluefors também testou com sucesso esses dispositivos em suas próprias instalações industriais.
“Isso mostra que este não é apenas um golpe de sorte em um laboratório universitário, mas algo de que tanto os profissionais industriais quanto os acadêmicos que trabalham com tecnologia quântica podem se beneficiar”, diz Möttönen.
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