Kvanteteknologier:Ny indsigt i superledende processer

Udviklingen af ​​en kvantecomputer, der kan løse problemer, som klassiske computere kun kan løse med stor indsats eller slet ikke - det er det mål, der i øjeblikket forfølges af et stadigt voksende antal forskerhold verden over. Årsagen:Kvanteeffekter, som stammer fra verden af ​​de mindste partikler og strukturer, muliggør mange nye teknologiske applikationer. Såkaldte superledere, som giver mulighed for at behandle information og signaler i overensstemmelse med kvantemekanikkens love, anses for at være lovende komponenter til realisering af kvantecomputere. Et knækpunkt for superledende nanostrukturer, imidlertid, er, at de kun fungerer ved meget lave temperaturer og derfor er svære at bringe i praktisk anvendelse.

Forskere ved universitetet i Münster og Forschungszentrum Jülich nu, for første gang, demonstreret, hvad der er kendt som energikvantisering i nanotråde lavet af højtemperatursuperledere - dvs. e. superledere, hvor temperaturen er forhøjet, hvorunder kvantemekaniske effekter dominerer. Den superledende nanotråd antager så kun udvalgte energitilstande, der kunne bruges til at kode information. I højtemperatur-superledere, forskerne var også i stand til for første gang at observere absorptionen af ​​en enkelt foton, en lyspartikel, der tjener til at transmittere information.

"På den ene side, vores resultater kan bidrage til brugen af ​​betydeligt forenklet køleteknologi i kvanteteknologier i fremtiden, og på den anden side, de giver os helt ny indsigt i de processer, der styrer superledende tilstande og deres dynamik, som stadig ikke er forstået, " understreger studieleder Jun. Prof. Carsten Schuck fra Institut for Fysik ved Münster Universitet. Resultaterne kan derfor være relevante for udviklingen af ​​nye typer computerteknologi. Studiet er publiceret i tidsskriftet Naturkommunikation .

Baggrund og metoder:

Forskerne brugte superledere lavet af grundstofferne yttrium, barium, kobberoxid og oxygen, eller YBCO for kort, hvoraf de fremstillede nogle få nanometer tynde ledninger. Når disse strukturer leder elektrisk strøm opstår der fysisk dynamik kaldet 'faseglidninger'. I tilfælde af YBCO nanotråde, fluktuationer i ladningsbærerens tæthed forårsager variationer i superstrømmen. Forskerne undersøgte processerne i nanotrådene ved temperaturer under 20 Kelvin, hvilket svarer til minus 253 grader celsius. I kombination med modelberegninger, de demonstrerede en kvantisering af energitilstande i nanotrådene. Temperaturen, ved hvilken ledningerne kom ind i kvantetilstanden, blev fundet ved 12 til 13 Kelvin - en temperatur flere hundrede gange højere end den temperatur, der kræves for de materialer, der normalt anvendes. Dette gjorde det muligt for forskerne at producere resonatorer, dvs. oscillerende systemer indstillet til specifikke frekvenser, med meget længere levetid og for at opretholde de kvantemekaniske tilstande i længere tid. Det er en forudsætning for den langsigtede udvikling af stadig større kvantecomputere.

Absorption af en enkelt foton i højtemperatursuperledere

Yderligere vigtige komponenter til udvikling af kvanteteknologier, men potentielt også til medicinsk diagnostik, er detektorer, der kan registrere selv enkeltfotoner. Carsten Schucks forskergruppe ved Münster Universitet har i flere år arbejdet på at udvikle sådanne enkeltfoton-detektorer baseret på superledere. Hvad der allerede fungerer godt ved lave temperaturer, videnskabsmænd over hele verden har forsøgt at opnå med højtemperatur-superledere i mere end et årti. I de YBCO nanotråde, der blev brugt til undersøgelsen, dette forsøg er nu lykkedes for første gang. "Vores nye resultater baner vejen for nye eksperimentelt verificerbare teoretiske beskrivelser og teknologiske udviklinger, " siger medforfatter Martin Wolff fra Schuck-forskningsgruppen.