量子计算系统的发展依赖于快速精确测量这些系统的电气特性(例如其底层电荷和自旋状态)的能力。这些测量值通常使用射频谐振器收集，而射频谐振器使用电压控制电容器(称为变容二极管)进行调谐。
伦敦大学学院 (UCL) 的研究人员最近开发了一种基于表现出量子顺电行为的材料的新型变容二极管。他们提出的设备在《自然电子学》杂志上发表的一篇论文中进行了介绍，该设备可以在低至几毫开尔文 (mK) 的低温下优化量子点设备的射频读出。
“为了开展量子设备研究，我们使用射频谐振器进行读出，”论文合著者马克·布伊特拉尔 (Mark Buitelaar) 告诉 Phys.org。“为了优化这种读出——例如调整谐振器频率或它们与传输线的耦合——我们需要可调电容器(也称为变容二极管)，这种电容器坚固耐用，对磁场不敏感，最重要的是，工作温度仅比绝对零度高几 mK。”
变容二极管在半导体行业中应用广泛，但迄今为止尚未应用于量子技术。这是因为它们在量子技术运行的极低温度下工作不良或根本不起作用。
作为他们最近研究的一部分，Buitelaar 和他的同事着手开发一种可以在低温下良好工作的新型变容二极管。他们制造的装置基于钛酸锶和钽酸钾，这两种材料在低温下表现出量子顺电特性和较大的场可调介电常数。
Buitelaar 解释道：“任何顺电材料都可以用作变容二极管的基本元件，因为它们的介电常数可以通过电场进行调节，也就是说，只需施加电压即可。钛酸锶等量子顺电材料的特殊之处在于，这些顺电特性在绝对零度下也能保持。”
Buitelaar 和他的同事通过一系列测试评估了变容二极管的性能，发现它们在低至 6 mK 的低温下工作得非常好。这些是他们作量子点器件的温度。
Buitelaar 表示：“变容二极管让我们能够显著提高信噪比，从而提高测量的精度和速度。我们预计，我们的变容二极管将引起许多其他研究人员的兴趣，他们使用的设备只能在极低的温度下运行，例如半导体或超导材料中的量子比特。”
作为他们最近研究的一部分，研究人员使用变容二极管来优化他们开发的基于碳纳米管的量子点设备的射频读出。当应用于这些设备时，变容二极管的电荷灵敏度达到 4.8 μe Hz −1/2，电容灵敏度达到 0.04 aF Hz −1/2。
Buitelaar 补充道：“我们正与伦敦大学学院伦敦纳米技术中心的同事一起研究硅中的掺杂剂，将其作为量子处理器的构建块。量子顺电变容二极管无疑有助于优化我们量子态读出的测量精度和速度，这在量子电路扩展到更大的系统时将非常重要。”