Физики из МФТИ совместно с российскими и британскими коллегами разработали передовой сверхпроводящий детектор квантовых состояний. Этот датчик магнитного поля, функционирующий при сверхнизких температурах, обладает огромным потенциалом: ему суждено стать ключевым исследовательским инструментом и незаменимым элементом в создании систем квантовых компьютеров.
Суть разработки и её конструкция
Специалисты МФТИ, Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, а также физического факультета университета Роял-Холлоуэй представили описание этого инновационного прибора. Детектор имеет уникальную структуру из двух сверхпроводящих контуров, соединенных джозефсоновскими переходами. Такая конструкция позволяет разности фаз волновых функций на участках контуров мгновенно переключать критический ток всей структуры. При последовательном изменении квантовых чисел в каждом контуре ток скачкообразно меняется от нуля до максимального значения и обратно. Физически устройство представляет собой небольшой чип, на котором расположены два плоских квадратных алюминиевых контура друг над другом, критически важно, что они связаны джозефсоновскими контактами.
Ключевые понятия для понимания
Волновая функция: фундаментальная функция в квантовой механике для описания объектов (от отдельных частиц до сложных систем). Это математический объект, где каждой точке пространства сопоставлена амплитуда (некоторое число). Название "волновая" отражает схожесть поведения функции с волнами: помимо амплитуды, важную роль играет фаза. Это основополагающая характеристика квантового объекта.
Джозефсоновский контакт: ключевой элемент, представляющий собой два сверхпроводника, разделенных тончайшим слоем диэлектрика толщиной всего 1-2 нм.
Преимущества перспективной технологии
Как отметили разработчики из лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, технология замечательна своей простотой: "Мы используем стандартные материалы, характерные для сверхпроводимости, и применяем хорошо отработанные методы изготовления, такие как электронно-лучевая литография и высоковакуумное напыление алюминия. В итоге создаем систему, открывающую уникальные исследовательские горизонты".
Ученые охладили готовый прибор до температур ниже сверхпроводящего перехода алюминия, близких к абсолютному нулю (0,6 — 1,3 Кельвин), и приложили постоянный ток смещения. При изменении магнитного поля физики зафиксировали четкие скачки напряжения. Эти скачки точно отражали изменения квантовых состояний сверхпроводящих контуров детектора. Период колебаний напряжения соответствует сверхпроводящему кванту магнитного потока через детектор. Этот квант представляет собой минимально возможное изменение магнитного потока в сверхпроводящем кольце. Эксперимент имеет сходство с классическим опытом на СКВИДе (сверхпроводящем квантовом интерферометре, SQUID). Ключевое отличие: российско-британская команда применила совершенно новую геометрическую конфигурацию сверхпроводников.
Теоретические основы и уникальные свойства
Теоретическое исследование работы устройства выявило важную особенность. Сверхпроводящий ток, проходящий через два джозефсоновских перехода нового интерферометра, равен сумме токов через каждый переход. При этом возникают необычные фазовые поправки, которые и вызывают скачки напряжения при смене квантовых чисел состояний сверхпроводящих контуров. Важно подчеркнуть: отклик детектора определяется исключительно квантовыми числами. Он не зависит напрямую от величины магнитного поля или площади сверхпроводящих контуров. Это кардинально отличает его от классических СКВИДов. Следовательно, данный прибор выступает как идеальный детектор квантовых состояний.
Значительное преимущество в чувствительности
Новая конфигурация продемонстрировала существенно более высокую чувствительность по сравнению с традиционными СКВИДами, использующими слабые связи типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник. Это открывает удивительные возможности для значительного расширения диапазона измерений очень слабых магнитных полей.
Сверхпроводящие системы успешно применяют для создания кубитов, фундаментальных элементов квантовых компьютеров, а также для считывания их квантовых состояний. В отличие от классических битов, хранящих информацию как "0" или "1", кубиты используют суперпозицию, позволяя им находиться в состоянии "0" и "1" одновременно. Это уникальное свойство открывает захватывающие перспективы для решения специфических задач!
Превосходство в специализированных задачах
Хотя квантовые компьютеры не заменят классические во всех областях, они демонстрируют огромный потенциал в ряде важных направлений. Они исключительно эффективны для моделирования сложных квантовых систем, решения задач криптографии и оптимизации поиска в больших базах данных. Разработка этих передовых вычислительных устройств и их ключевых компонентов, кубитов, динамично развивается по всему миру. Лаборатория искусственных квантовых систем МФТИ активно участвует в этих инновационных исследованиях.
Интерферометр для детектирования состояний кубитов
Представленный интерферометр обладает значительным практическим потенциалом. Он может быть адаптирован для детектирования квантовых состояний сверхпроводящих кубитов. Для этого потребуется заменить один из его сверхпроводящих контуров непосредственно на кубит, открывая новые возможности для контроля и измерения в квантовых системах.
Источник: scientificrussia.ru