Characterization of a graphene bolometer for ultrasensitive microwave detection

Abstract

In circuit quantum electrodynamics (cQED), the states of qubits, representing the outcomes of quantum computations, are read by detecting microwave pulses emitted by the qubits. Existing methods for detecting these pulses include quantum-limited amplifiers, Josephson photomultipliers and absorption in resonators with a semi-irreversible state change. As these detection schemes have limitations in scalability, a bolometer, which detects photons by measuring a temperature change, has been suggested as an alternative detection method with a higher potential applicability. However, single photons have not been detected with state-of-the-art bolometers, because the devices have only recently reached sufficient theoretical sensitivity limits. This thesis examines the sensitivity of a graphene bolometer, evaluating its viability for single microwave photon detection. We found that the lowest noise equivalent power of the bolometer, representing the power of the weakest detectable pulse, is 900 zW·Hz-1/2. Furthermore, the time constant characterizing the detection timescale of the bolometer was below 200 ns. These results are especially promising considering the brevity of the obtained timescale, which is on par with the state-of-the-art values. Due to the optimization potential still present in the sample and the already low time constants, bolometers based on a similar graphene-based design have significant potential for single microwave photon detection.

Kvanttilaskenta on lupaava teknologia, joka voi ylittää perinteisten supertietokoneiden laskennallisen kapasiteetin. Kasvaneella laskentateholla on useita mahdollisia sovelluksia, kuten monimutkaisten simulaatioiden suorittaminen tai suurten aineistojen analysointi. Piirikvanttisähködynamiikassa (cQED) kvanttilaskennassa keskeiset kvanttibitit eli kubitit toteutetaan suprajohtavista materiaaleista tehdyillä sähköpiireillä, jotka yhdistetään toisiinsa Josephsonin liitoksilla.

Tärkeä osa cQED-laitteiden toimintaa on kubittien tilojen lukeminen. Tämä on välttämätöntä laskutoimitusten suorittamiseksi ja niiden tulosten selvittämiseksi. Suorin tapa lukea tilat on yksittäisten mikroaaltofotonien havaitseminen. Tällä hetkellä tämä on mahdollista esimerkiksi Josephsonin valomonistajan avulla, tai absorboimalla fotoni pitkäaikaisesti tilansa muuttavaan resonaattoriin. Koska näiden menetelmien käyttäminen kvanttitietokoneen mittakaavassa on kohinan vuoksi ongelmallista, fotoneja lämpötilamuutoksen perusteella havaitsevaa bolometriä on esitetty niiden korvaajaksi. Yksittäisiä mikroaaltoalueen fotoneita ei kuitenkaan ole vielä havaittu bolometrillä, koska riittävä teoreettinen herkkyys on saavutettu vasta äskettäin.

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin erääseen Josephsonin liitoksen muunnokseen, suprajohde–grafeeni–suprajohde-liitokseen (SGS-liitos) perustuvaa bolometriä. Tässä havaintomenetelmässä mikroaaltofotonit absorboituvat grafeenikalvoon, jonka lämpötila nousee muuttaen SGS-liitoksen sisältävän värähtelypiirin resonanssitaajuutta. Koska grafeenikalvon lämpökapasiteetti on pieni, heikkokin säteily nostaa sen lämpötilaa merkittävästi, jolloin värähtelypiirin resonanssitaajuuden muutos on riittävän suuri mitattavaksi.

Grafeenibolometrin herkkyyttä tutkitaan mittaamalla pienimmän havaittavan säteilypulssin tehoa kuvaava kohinaa vastaava teho. Tätä suuretta voidaan käyttää myös pienimmän havaittavan mikroaaltopulssin energian arvioimiseen. Bolometriä tutkitaan kryostaatissa noin 20 mK:n lämpötilassa. Näytteeseen lähetetään tutkimussignaali, jonka heijastumista mitataan. Kohinaa vastaava teho lasketaan heijastuneessa signaalissa esiintyvän kohinan sekä absorboidusta mikroaaltopulssista johtuvan heijastuman muutoksen avulla.

Pienin työssä havaittu kohinaa vastaava teho oli 900 zW·Hz-1/2. Lisäksi mitattiin havaintotapahtumaan kuluvaa aikaa ilmaiseva aikavakio, jonka pienimmät arvot olivat alle 200 ns. Saadut tulokset ovat erityisen lupaavia, sillä mitatut aikavakioiden arvot vastaavat tämän hetken pienimpiä. Koska tutkitun näytteen arvoja voi edelleen optimoida ja koska jo saavutetut aikavakiot ovat verrattain lyhyitä, vastaavat grafeenipohjaiset bolometrit ovat lupaavia ehdokkaita yksittäisten mikroaaltofotonien ilmaisimiksi.