Des ingénieurs du NIST dévoilent un thermomètre miniaturisé ultra-froid pour l'informatique quantique

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont inventé un thermomètre supraconducteur miniature aux applications prometteuses, notamment la surveillance de la température des puces de processeur dans les ordinateurs quantiques à base de supraconducteurs, qui doivent rester froids pour fonctionner correctement.

Performances exceptionnelles à l'échelle du milliKelvin

Ce thermomètre mesure des températures inférieures à 1 kelvin (−272,15 °C), jusqu'à 50 millikelvin (mK) et potentiellement 5 mK. Il est plus petit, plus rapide et plus pratique que les thermomètres cryogéniques conventionnels pour les dispositifs à l'échelle de la puce, et pourrait être produit en série.

Une technologie issue des capteurs pour télescopes

D'une taille de seulement 2,5 sur 1,15 millimètres, ce thermomètre peut être intégré ou collé à un autre dispositif micro-ondes cryogénique pour en mesurer la température lorsqu'il est monté sur une puce. Les chercheurs l'ont utilisé pour démontrer des mesures rapides et précises de l'échauffement d'un amplificateur micro-ondes supraconducteur.

« C'était une idée amusante qui a rapidement évolué vers quelque chose de très utile », déclare Joel Ullom, chef de groupe. « Le thermomètre permet aux chercheurs de mesurer la température d'une large gamme de composants dans leurs boîtiers de test à très peu de frais et sans introduire un grand nombre de connexions électriques supplémentaires. Cela a le potentiel de bénéficier aux chercheurs travaillant dans l'informatique quantique ou utilisant des capteurs à basse température dans divers domaines. »

Principe de fonctionnement innovant

Le thermomètre consiste en un résonateur supraconducteur en niobium recouvert de dioxyde de silicium. Ce revêtement interagit avec le résonateur pour décaler sa fréquence de vibration naturelle. Les scientifiques soupçonnent que cela est dû au « tunneling » d'atomes entre deux sites, un effet quantique.

Contrairement aux thermomètres conventionnels pour températures sub-Kelvin basés sur la résistance électrique — qui nécessitent un câblage vers l'électronique à température ambiante, ajoutant complexité, chauffage et interférences — le thermomètre NIST exploite le principe selon lequel la fréquence naturelle du résonateur dépend de la température. Il associe les changements de fréquence à une température.

Rapidité, fabrication simplifiée et production en série

Le thermomètre NIST mesure la température en environ 5 millisecondes, bien plus vite que la plupart des thermomètres résistifs conventionnels (environ un dixième de seconde). Sa fabrication ne nécessite qu'une seule étape de processus, permettant une production de masse : plus de 1 200 unités peuvent tenir sur une tranche de silicium de 3 pouces (environ 75 mm).