Простой термометр использует изменения частоты для измерения криогенных температур

Stephen J. Mraz

Это небольшое устройство может упростить процесс слежения за температурой в сверхпроводящих квантовых компьютерах

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) изобрели миниатюрный термометр, который можно использовать для контроля криогенных температур процессорных микросхем в сверхпроводящих квантовых компьютерах, обязательным условием нормальной работы которых является низкая температура кристалла.

Термометр состоит из сверхпроводящего ниобиевого резонатора, покрытого диоксидом кремния. Покрытие взаимодействует с резонатором, изменяя естественную частоту его вибрации. Ученые подозревают, что это происходит из-за «туннелирования» атомов между двумя участками – квантово-механического эффекта.

Принцип работы термометра NIST основан на том, что собственная частота резонатора является функцией его температуры. Термометр фиксирует изменения частоты, измеренные электроникой, а затем по этим изменениям определяет реальную температуру. В отличие от этого, обычные термометры для температур, близких к нулю по шкале Кельвина, основаны на измерениях электрического сопротивления. Они требуют подключения проводов к электронике, работающей при комнатной температуре, что делает конечное устройство более сложным (и более дорогим) и потенциально искажает результаты измерений из-за добавления тепла.

Два сверхпроводящих термометра NIST для измерения криогенных температур приклеены к левому нижнему и правому верхнему углам этого усилителя. Миниатюрные термометры, сделанные из ниобия на слое диоксида кремния, измеряют температуру усилителя или другого устройства, основываясь на изменениях частотного сигнала.

Термометр NIST измеряет температуру примерно за 5 мс, что намного быстрее, чем большинство обычных резистивных термометров, которым требуется порядка одной десятой секунды. Термометр NIST также будет проще в изготовлении и потребует всего одного этапа производственного процесса. Они могут выпускаться крупносерийно – на 3-дюймовой кремниевой пластине умещается более 1200 устройств.

Новый сверхпроводящий термометр измеряет температуры ниже 1° Кельвина (272.15 °C) до 50 мК (милликельвинов) и потенциально до 5 мК. Он меньше, быстрее и удобнее, чем обычные криогенные термометры, используемые для контроля температуры таких устройств, как микросхемы.

Новый прибор с размерами всего 2.5 × 1.15 мм может быть встроен в другое криогенное устройство или прикреплен к нему для измерения его температуры при установке на микросхеме.

Эта технология является побочным продуктом разработки в NIST сверхпроводящих датчиков для камер телескопов, в частности для СВЧ-детекторов, поставляемых для суборбитальных телескопов BLAST и TolTEC.

Новый термометр позволит исследователям измерять температуру широкого спектра компонентов в тестовых корпусах с очень небольшими затратами и без необходимости подключения большого количества дополнительных электрических проводов. Это должно дать преимущество исследователям, работающих в области квантовых вычислений.