Детектор квантовых состояний
3 мин чтения
Тестирование электро-физических характеристик детектора на зондовой станции.

Тестирование электро-физических характеристик детектора на зондовой станции.

Собран простой прибор, оказавшийся крайне полезным для будущего

Физики Московского физико-технического института (МФТИ) в составе российско-британского коллектива разработали сверхпроводящий детектор квантовых состояний. Созданный ими датчик магнитного поля, работающий при сверхнизких температурах, может служить как исследовательским инструментом, так и элементом построения квантовых компьютерных систем.

Устройство представляет собой плоский чип с двумя квадратными контурами из алюминия. Эти контуры расположены друг над другом и, что самое важное, связаны между собой джозефсоновскими контактами.

Джозефсоновским контактом называют два сверхпроводника, разделённых тонким слоем (1-2 нм) диэлектрика.

Как подчеркнул один из участников исследования, старший научный сотрудник лаборатории Искусственных квантовых систем МФТИ Владимир Гуртовой: «Наша технология на удивление проста, мы берём в общем-то обычный для сверхпроводимости материал и используем давно известные методы производства, такие как электронно-лучевая литография и высоковакуумное напыление алюминия. А в итоге, получили систему, которую до нас никто не изучал».

Два сверхпроводящих контура в датчике связаны джозефсоновскими переходами так, что разность фаз волновых функций на сегментах этих контуров скачкообразно меняет критический ток всей структуры от нуля до максимального и обратно при последовательном изменении в каждом из контуров квантовых чисел.

Волновая функция в квантовой механике – одно из важнейших понятий и основная характеристика квантовых объектов (от единичной частицы до сложных систем). Каждой точке пространства соответствует некоторое число, амплитуда волновой функции. Термин «волновая» обозначает, что поведение волновой функции (и описываемого ею объекта) оказывается подобно поведению обычных волн – в частности, можно говорить не только об амплитуде, но и фазе.

Слева: схематическое изображение сверхпроводящих контуров. Ток через джозефсоновские контакты a (сверху) и b (снизу) обозначен как Ja sin(φa) и Jb sin(φb ) , где φ – фаза волновой функции – квантовая величина, описывающая систему в целом. Справа: изображение всей системы, снимок в условных цветах. Иллюстрация авторов исследования

Готовый прибор исследователи охладили до температур ниже сверхпроводящего перехода алюминия, около абсолютного нуля (0,6 - 1,3 Кельвина), и приложили постоянный ток смещения. В изменяющемся магнитном поле физики обнаружили регулярные скачки напряжения, соответствующие изменению квантовых состояний сверхпроводящих контуров детектора. Период осцилляций напряжения равен сверхпроводящему кванту магнитного потока через детектор. Квантом магнитного потока называют минимально возможный шаг изменения магнитного потока через сверхпроводящее кольцо.

 

Такой эксперимент отчасти напоминает ставший уже классическим опыт со СКВИДом (сверхпроводящим квантовым интерферометром, от английского сокращения SQUID) c той лишь разницей, что российско-британский коллектив использовал ранее неисследованную геометрическую конфигурацию сверхпроводников. 

Осцилляции напряжения интерферометра с периодом 0,053 Эрстед (длина стороны контура 20 мкм). Скачки напряжения происходят, когда числа квантования момента импульса nu или nd меняются на единицу. Амплитуда осцилляций промодулирована с периодом 0,8 Эрстед, что соответствует потоку через небольшие площади сдвига двух контуров. Измерения проводились при постоянном токе через интерферометр I=20 нА и температуре 1,1 К.

Теоретический анализ работы детектора показал, что сверхпроводящий ток через два джозефсоновских перехода нового интерферометра равен сумме токов через каждый из переходов с необычными фазовыми поправками, приводящими к скачкам напряжения при изменении квантовых чисел состояний сверхпроводящих контуров. Стоит также отметить, что отклик детектора определяется только квантовыми числами и не зависит явным образом от магнитного поля и площади сверхпроводящих контуров, что отличает его от классической реализации СКВИДА. Таким образом получается, что российско-британским научным коллективом создан идеальный детектор квантовых состояний!

Старший научный сотрудник Владимир Гуртовой, один из авторов исследования, в лаборатории. Источник: пресс-служба МФТИ, Евгений Пелевин

«Новая конфигурация оказалась намного чувствительнее по сравнению с традиционными СКВИД-ами с их слабыми связями «сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник», что может существенно расширить диапазон измерений малых магнитных полей», – пояснил Владимир Гуртовой.

Сверхпроводящие системы сейчас активно пытаются применять для построения кубитов – базовых блоков квантовых компьютеров, а также для считывания квантовых состояний кубитов. В квантовых компьютерах вместо систем, способных хранить элементарную единицу информации бит в виде нуля или единицы, используются квантовые биты или кубиты. Кубиты хранят данные в виде суперпозиции или наложения состояний «0» и «1» одновременно: такое свойство иногда оказывается крайне полезным. Квантовые компьютеры не могут превзойти обычные во всех задачах, но они обещают стать чрезвычайно эффективными в ряде специальных случаев – например, при моделировании квантовых же систем, при взломе шифров и поисках в больших базах данных. Разработка квантовых вычислительных устройств в целом и кубитов в частности активно ведётся во всём мире, и лаборатория Искусственных квантовых систем МФТИ здесь не исключение. Этот интерферометр может использоваться для детектирования квантовых состояний сверхпроводящих кубитов, если один из сверхпроводящих контуров будет заменён на кубит.

Специалисты МФТИ, Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, а также Физического факультета университета Роял-Холлоуэй описали свой удачный прибор на страницах журнала Nano Letters.

Читайте нас в мобильном приложении

Если у Вас возник вопрос по материалу, то Вы можете задать его специальной рубрике Задать вопрос Московский «Физтехпарк» в очередной раз посетила китайская делегация Далее в рубрике Московский «Физтехпарк» в очередной раз посетила китайская делегацияВ минувший вторник, 26 декабря, по уже сложившейся доброй традиции ведущий IT-хаб  столицы «Физтехпарк»  посетила делегация представителей индустрии высоких технологий из Китая Читайте в рубрике «Инновации» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»Сооснователь IT-гиганта представил в Технопарке МФТИ настоящий гоночный болид «Формулы-1» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»
Подписывайтесь на канал rusplt.ru в Яндекс.Дзен
Подписывайтесь на канал rusplt в Дзен
Комментарии
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Не пропустите лучшие материалы!
Подпишитесь на «Русскую планету» в социальных сетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!