NIST-ingenieurs onthullen ultra-koude geminiaturiseerde thermometer voor kwantumcomputing

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een miniatuur supergeleidende thermometer uitgevonden met grote potentiële toepassingen, zoals het monitoren van de temperatuur van processorchips in supergeleider-gebaseerde kwantumcomputers, die koud moeten blijven om goed te functioneren.

Ongekende precisie op millikelvinniveau

De thermometer meet temperaturen onder 1 kelvin (min 272,15 °C / min 457,87 °F), tot 50 millikelvin (mK) en mogelijk zelfs 5 mK. Hij is kleiner, sneller en handiger dan conventionele cryogene thermometers voor chip-schaalapparaten en kan in massa geproduceerd worden.

Afstamming van telescoop-sensoren

De technologie is een afsplitsing van NIST's maatwerk supergeleidende sensoren voor telescoopcamera's. Met afmetingen van slechts 2,5 bij 1,15 millimeter kan de nieuwe thermometer worden ingesloten in, of op geplakt op, een ander cryogeen microgolfapparaat om de temperatuur te meten wanneer deze op een chip wordt gemonteerd. De onderzoekers gebruikten de thermometer om snelle, nauwkeurige metingen te demonstreren van de opwarming van een supergeleidende microgolfversterker.

„Dit was een leuk idee dat snel uitgroeide tot iets zeer nuttigs,” zegt groepsleider Joel Ullom. „De thermometer stelt onderzoekers in staat om de temperatuur van een breed scala aan componenten in hun testpakketten te meten tegen zeer lage kosten en zonder een groot aantal extra elektrische verbindingen in te voeren. Dit heeft het potentieel om onderzoekers in kwantumcomputing of diegenen die laagtemperatuursensoren in een breed scala aan velden gebruiken, te helpen.”

Werking gebaseerd op kwantumtunneling

De thermometer bestaat uit een supergeleidende niobiumresonator bedekt met siliciumdioxide. De coating interacteert met de resonator en verschuift de frequentie waarop deze natureel trilt. Wetenschappers vermoeden dat dit komt door atomen die 'tunnelen' tussen twee plaatsen, een kwantumeffect.

De NIST-thermometer is gebaseerd op een nieuwe toepassing van het principe dat de natuurlijke frequentie van de resonator afhangt van de temperatuur. De thermometer koppelt frequentieveranderingen aan een temperatuur. Daarentegen zijn conventionele thermometers voor sub-kelvintemperaturen gebaseerd op elektrische weerstand. Zij vereisen bedrading naar kamertemperatuur-elektronica, wat complexiteit toevoegt en mogelijk verwarming en interferentie veroorzaakt.

Snelheid en schaalbaarheid

De NIST-thermometer meet de temperatuur in ongeveer 5 milliseconden, veel sneller dan de meeste conventionele weerstandsthermometers (ongeveer een tiende seconde). De NIST-thermometers zijn bovendien eenvoudig te fabriceren in slechts één processtap. Ze kunnen in massa geproduceerd worden, met meer dan 1200 exemplaren op een 3-inch (ongeveer 75-millimeter) siliciumwafer.