Fysikere skaber kvantetilstandsdetektor

Fysikere fra MIPT har slået sig sammen med deres kolleger i Rusland og Storbritannien og udviklet en superledende kvantetilstandsdetektor. Den nye enhed kan registrere magnetiske felter ved lave temperaturer og er nyttig for både forskere og kvantecomputeringeniører.

Forskerne, der kommer fra MIPT, Instituttet for mikroelektronik og materialer med høj renhed ved det russiske videnskabsakademi, og Royal Holloway, University of London, beskrev den nye enhed i Nano bogstaver . Detektoren består af to superledende aluminiumsløjfer koblet af Josephson-forbindelser. En faseforskel mellem bølgefunktionerne på sløjfesegmenter får den kritiske strøm i enheden til at ændre sig fra nul til maksimum og tilbage til nul på en trinlig måde med ændringen af ​​kvantetallene i hver af sløjferne. De to løkker placeres oven på hinanden på en flad chip. Vigtigt, de er koblet sammen af ​​Josephson-kryds.

Begrebet en bølgefunktion refererer til en måde at beskrive kvanteobjekter på, herunder individuelle partikler og mere komplekse systemer. En bølgefunktion tildeler en værdi kaldet sandsynlighedsamplitude til alle punkter i rummet. Udtrykkene "bølge" og "amplitude" indebærer, at objekterne beskrevet af bølgefunktioner opfører sig meget som bølger. Faktisk, det er endda muligt at tale om en bølgefunktions fase. I kvantemekanik, bølgefunktionen er et centralt begreb og det primære kendetegn ved et objekt. En Josephson junction er en enhed lavet af to superledere adskilt af et 1-2 nanometer lag af dielektrisk materiale.

Vladimir Gurtovoi, en seniorforsker ved MIPT's Laboratory of Artificial Quantum Systems og en af ​​forfatterne til artiklen, kommenterede resultaterne:"Vores teknologi er bemærkelsesværdig enkel:Vi bruger et materiale, der er ret typisk for superledningsforskning og standardfremstillingsteknikker såsom elektronstrålelitografi og højvakuumaflejring af aluminium. slutresultatet er et system, der ikke er blevet undersøgt før."

Forskerne kølede enheden ned til 0,6 kelvin, under temperaturen af ​​den superledende overgang af aluminium, og påført en forspændingsstrøm. I et variabelt magnetfelt, fysikerne observerede periodiske spændingsspring svarende til ændringerne i kvantetilstandene af detektorens superledende sløjfer. Spændingen svinger med den periode, der svarer til fluxkvantemet, der trænger ind i detektoren. Et fluxkvante er den mindste mængde, hvormed en magnetisk flux, der gevindskærer en superledende kontur, kan ændre sig.

Den eksperimentelle opsætning er en variation af den traditionelle superledende kvanteinterferensenhed, eller Blæksprutte. Imidlertid, forfatterne anvendte en ukonventionel geometrisk konfiguration af superledere.

Ved at udføre en teoretisk analyse af enhedens funktion, forskerne viste (se appendiks), at den superledende strøm gennem de to Josephson-forbindelser i det nye interferometer er lig med summen af ​​de individuelle strømme gennem hvert af krydsene med nogle fasekorrektioner, hvilket fører til spændingsspring, når de kvantetal, der er forbundet med de to sløjfers tilstande, ændres. Især detektorrespons bestemmes af kvantetallene. Den nye enhed er derfor en perfekt kvantetilstandsdetektor.

"Den nye konfiguration forbedrer væsentligt følsomheden af ​​den konventionelle SQUID. Som et resultat, omfanget af mulige svage magnetfeltmålinger er større, " forklarer Vladimir Gurtovoi.

Kohærente superledende systemer er nu intensivt undersøgt. Blandt andet, de kunne bruges som qubits - de grundlæggende informationsenheder, der behandles af en kvantecomputer. Qubit'en er en kvanteanalog af den klassiske bit:Mens en almindelig bit gemmer data som nuller og ettaller, en kvantebit kan være i en superposition af to tilstande - dvs. både nul og én på samme tid. Selvom dette ikke vil tillade kvantecomputere at overgå deres klassiske modstykker i alle operationer, de kunne sandsynligvis være ekstremt effektive i en række særlige tilfælde. Disse inkluderer kvantesystemmodellering, dekryptering, og databasesøgning. MIPT's Laboratory of Artificial Quantum Systems er en del af den igangværende globale indsats for at udvikle kvantecomputerteknologi, inklusive qubit design. Dobbeltkontur-interferometeret med en af ​​sløjferne erstattet med en qubit kan bruges til at styre detektionen af ​​qubit-kvantetilstande.

Formel for strømmen gennem interferometeret:

Er =Iasin(ϕa) + Ibsin(ϕa + π(nu + nd))

Ia og Ib i dette udtryk er de kritiske strømme for hver af de to Josephson-forbindelser. Ændringen i fase af bølgefunktionen på hvert af krydsene, som bestemmes af det nye interferometers geometri og er den samme for begge kryds, er betegnet med ϕa. Faseleddet π(nu + nd) inkluderer vinkelmomentum kvantetal nu og nd for den øverste ("op") og nederste ("ned") sløjfe, henholdsvis.

Fordi pariteten af ​​kvantetalsummen nu + nd ændres, når et af de to tal ændres med 1, det andet led i ligningen ændrer sit fortegn på en trinlig måde. Da Josephson-krydset kan betragtes som identiske, Ia er lig med Ib, hele udtrykket producerer i sidste ende to diskrete værdier for den kritiske strøm:Den svarer enten til Ia + Ib eller - når de to led er modsatte - er lig med nul.

Hvis kvantetalsummen er lige, spændingen over interferometeret er nul. I tilfælde af ulige beløb, en kendt og let målelig spænding vil blive detekteret.