De ontwikkeling van quantumcomputersystemen is afhankelijk van het vermogen om de elektrische eigenschappen van deze systemen snel en nauwkeurig te meten, zoals hun onderliggende lading- en spintoestanden. Deze metingen worden doorgaans verzameld met behulp van radiofrequentieresonatoren, die worden afgestemd met behulp van spanningsgestuurde condensatoren die bekend staan als varactors.
Onderzoekers van University College London (UCL) hebben onlangs een nieuwe varactor ontwikkeld op basis van materialen die kwantumpara-elektrisch gedrag vertonen. Hun voorgestelde apparaat, geïntroduceerd in een papier gepubliceerd in Natuur Elektronicakan de radiofrequentie-uitlezingen van quantumdot-apparaten optimaliseren bij lage temperaturen tot enkele millikelvin (mK).
“Om ons onderzoek naar kwantumapparaten uit te voeren, gebruiken we radiofrequentieresonatoren voor uitlezing,” vertelde Mark Buitelaar, medeauteur van het artikel, aan Phys.org. “Om deze uitlezing te optimaliseren, zoals het afstemmen van de resonatorfrequenties of hun koppeling aan transmissielijnen, hadden we afstembare condensatoren nodig, ook wel varactors genoemd, die robuust zijn, ongevoelig voor magnetische velden en, nog belangrijker, werken bij temperaturen die slechts een paar mK boven het absolute nulpunt liggen.”
Varactors worden veel gebruikt in de halfgeleiderindustrie, maar tot nu toe zijn ze niet toegepast op kwantumtechnologieën. Dit komt doordat ze slecht of helemaal niet werken bij de zeer lage temperaturen waarop kwantumtechnologieën werken.
Als onderdeel van hun recente studie gingen Buitelaar en zijn collega’s op pad om een nieuwe varactor te ontwikkelen die goed zou werken bij deze lage temperaturen. Het apparaat dat ze creëerden is gebaseerd op strontiumtitanaat en kaliumtantalaat, twee materialen die kwantumpara-elektrische eigenschappen en een grote veld-afstembare permittiviteit vertonen bij lage temperaturen.
“Elk para-elektrisch materiaal kan worden gebruikt als basiscomponent van een varactor, omdat hun permittiviteit afstembaar is met behulp van elektrische velden, dat wil zeggen door simpelweg een spanning aan te leggen,” legt Buitelaar uit. “Wat kwantumpara-elektrische materialen zoals strontiumtitanaat speciaal maakt, is dat deze para-elektrische eigenschappen tot het absolute nulpunt worden behouden.”
Buitelaar en zijn collega’s beoordeelden de prestaties van hun varactors in een reeks tests en ontdekten dat ze extreem goed werken bij lage temperaturen tot 6 mK. Dit zijn de temperaturen waarbij ze hun quantum dot-apparaten gebruiken.
“De varactors stelden ons in staat om onze signaal-ruisverhoudingen aanzienlijk te vergroten en daarmee de precisie en snelheid van onze metingen”, aldus Buitelaar. “We verwachten dat onze varactors interessant zullen zijn voor veel andere onderzoekers die apparaten gebruiken die alleen bij extreem lage temperaturen werken, zoals qubits in halfgeleiders of supergeleidende materialen.”
Als onderdeel van hun recente studie gebruikten de onderzoekers hun varactor om de radiofrequentie-uitlezing van koolstofnanotube-gebaseerde quantumdot-apparaten die ze ontwikkelden te optimaliseren. Toen ze op deze apparaten werden toegepast, bereikte de varactor een ladingsgevoeligheid van 4,8 μe Hz−1/2 en een opmerkelijke capaciteitsgevoeligheid van 0,04 aF Hz−1/2.
“Samen met collega’s van het London Center for Nanotechnology aan de UCL werken we momenteel aan dopanten in silicium als bouwstenen voor een quantumprocessor”, voegde Buitelaar toe. “De quantumpara-elektrische varactors helpen zeker de meetnauwkeurigheid en snelheid van onze quantumtoestandsuitlezing te optimaliseren, wat erg belangrijk zal zijn als de quantumcircuits worden opgeschaald naar grotere systemen.”
Meer informatie:
P. Apostolidis et al, Quantum para-elektrische varactors voor radiofrequentiemetingen bij millikelvintemperaturen, Natuur Elektronica (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01214-z
Tijdschriftinformatie:
Natuur Elektronica