Ingenieros del NIST presentan un termómetro miniaturizado ultracrío para computación cuántica

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han inventado un termómetro superconductor en miniatura con grandes aplicaciones potenciales, como la monitorización de la temperatura de chips de procesadores en computadoras cuánticas basadas en superconductores, que deben mantenerse fríos para funcionar correctamente.

Características principales

El termómetro mide temperaturas por debajo de 1 kelvin (−272,15 °C / −457,87 °F), hasta 50 milikelvin (mK) y potencialmente 5 mK. Es más pequeño, rápido y cómodo que los termómetros criogénicos convencionales para dispositivos a escala de chip y podría producirse en masa.

Origen y diseño

La tecnología surge de los sensores superconductoras personalizados del NIST para cámaras de telescopios. Con solo 2,5 × 1,15 mm, el nuevo termómetro puede incrustarse o adherirse a otro dispositivo criogénico de microondas para medir su temperatura cuando se monta en un chip. Los investigadores lo usaron para demostrar mediciones rápidas y precisas del calentamiento de un amplificador de microondas superconductor.

“Esta fue una idea divertida que rápidamente se convirtió en algo muy útil”, dijo el líder del grupo Joel Ullom. “El termómetro permite a los investigadores medir la temperatura de una amplia gama de componentes en sus paquetes de prueba a muy bajo costo y sin introducir un gran número de conexiones eléctricas adicionales. Esto tiene el potencial de beneficiar a investigadores que trabajan en computación cuántica o usan sensores de baja temperatura en una amplia gama de campos.”

Principio de funcionamiento

El termómetro consiste en un resonador superconductor de niobio recubierto de dióxido de silicio. El recubrimiento interactúa con el resonador para desplazar la frecuencia a la que vibra naturalmente. Los científicos sospechan que esto se debe a átomos que “tunelan” entre dos sitios, un efecto cuántico-mecánico.

El termómetro del NIST se basa en una nueva aplicación del principio de que la frecuencia natural del resonador depende de la temperatura. Mapea cambios de frecuencia a temperatura. Por el contrario, los termómetros convencionales para temperaturas sub-kelvin se basan en la resistencia eléctrica, requieren cableado hacia electrónica a temperatura ambiente, lo que añade complejidad y puede causar calentamiento e interferencia.

Ventajas de rendimiento

• Velocidad: mide la temperatura en unos 5 milisegundos, mucho más rápido que los termómetros resistivos convencionales (≈0,1 s).
• Fabricación sencilla: se producen en un solo paso; más de 1200 unidades caben en una oblea de silicio de 3 pulgadas (≈75 mm).

Estas características abren la puerta a una monitorización densa y en tiempo real de componentes cuánticos, mejorando el control y la escalabilidad de los procesadores cuánticos superconductoras.