NIST-Ingenieure präsentieren ultra-kaltes miniaturisiertes Thermometer für Quantencomputer

Forschende des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben ein miniaturisiertes supraleitendes Thermometer entwickelt, das große Anwendungspotenzial besitzt – etwa die Überwachung der Temperatur von Prozessorchips in supraleiterbasierten Quantencomputern, die extrem kalt gehalten werden müssen, um zu funktionieren.

Das Thermometer misst Temperaturen unter 1 Kelvin (−272,15 °C/−457,87 °F), bis hinunter zu 50 Millikelvin (mK) und potenziell sogar 5 mK. Es ist kleiner, schneller und handlicher als herkömmliche kryogene Thermometer für Chip-Skalen-Geräte und könnte in Massenproduktion gefertigt werden.

Die Technologie ist ein Ableger von NISTs maßgeschneiderten supraleitenden Sensoren für Teleskopkameras. Mit nur 2,5 × 1,15 Millimetern Größe lässt sich das neue Thermometer in ein anderes kryogenes Mikrowellengerät einbetten oder darauf kleben, um dessen Temperatur zu messen, wenn es auf einem Chip montiert ist. Die Forschenden nutzten das Thermometer, um schnelle, präzise Messungen der Erwärmung eines supraleitenden Mikrowellenverstärkers zu demonstrieren.

„Das war eine lustige Idee, die schnell zu etwas sehr Nützlichem heranwuchs“, sagt Gruppenleiter Joel Ullom. „Das Thermometer ermöglicht Forschern, die Temperatur einer Vielzahl von Komponenten in ihren Testpaketen zu sehr geringen Kosten und ohne eine große Anzahl zusätzlicher elektrischer Anschlüsse zu messen. Das hat das Potenzial, Forschern im Quantencomputing oder bei der Nutzung von Tieftemperatursensoren in vielen Bereichen zu helfen.“

Das Thermometer besteht aus einem supraleitenden Niob-Resonator, der mit Siliciumdioxid beschichtet ist. Die Beschichtung interagiert mit dem Resonator und verschiebt die Frequenz, bei der er natürlich schwingt. Wissenschaftler vermuten, dass dies auf Atome zurückzuführen ist, die zwischen zwei Positionen „tunneln“ – ein quantenmechanischer Effekt.

Das NIST-Thermometer basiert auf einer neuen Anwendung des Prinzips, dass die natürliche Frequenz des Resonators von der Temperatur abhängt. Es ordnet Frequenzänderungen einer Temperatur zu. Herkömmliche Thermometer für Sub-Kelvin-Temperaturen hingegen basieren auf elektrischem Widerstand. Sie erfordern Verkabelung zu Elektronik bei Raumtemperatur, was Komplexität hinzufügt und potenziell Erwärmung und Störungen verursacht.

Das NIST-Thermometer misst die Temperatur in etwa 5 Millisekunden – viel schneller als die meisten herkömmlichen Widerstandsthermometer mit etwa einem Zehntelsekunde. Die NIST-Thermometer lassen sich zudem in nur einem einzigen Prozessschritt einfach fertigen. Sie können in Massenproduktion hergestellt werden, wobei mehr als 1200 Stück auf einen 3-Zoll-Siliziumwafer (ca. 75 Millimeter) passen.