Natuurkundigen van MIPT hebben samen met hun collega's in Rusland en Groot-Brittannië een supergeleidende kwantumtoestandsdetector ontwikkeld. Het nieuwe apparaat kan magnetische velden detecteren bij lage temperaturen en is nuttig voor zowel onderzoekers als kwantumcomputeringenieurs.

De onderzoekers, die van MIPT komen, het Instituut voor Micro-elektronica en Hoogzuivere Materialen van de Russische Academie van Wetenschappen, en Royal Holloway, Universiteit van Londen, beschreef het nieuwe apparaat in Nano-letters . De detector bestaat uit twee supergeleidende aluminium lussen die zijn gekoppeld door Josephson-juncties. Een faseverschil tussen de golffuncties op lussegmenten zorgt ervoor dat de kritische stroom in het apparaat stapsgewijs verandert van nul naar maximum en terug naar nul met de verandering van de kwantumgetallen in elk van de lussen. De twee lussen worden op een platte chip op elkaar geplaatst. belangrijk, ze zijn gekoppeld door Josephson-knooppunten.

Het begrip golffunctie verwijst naar een manier om kwantumobjecten te beschrijven, inclusief individuele deeltjes en meer complexe systemen. Een golffunctie kent aan alle punten in de ruimte een waarde toe die waarschijnlijkheidsamplitude wordt genoemd. De termen "golf" en "amplitude" impliceren dat de objecten die worden beschreven door golffuncties zich net als golven gedragen. In feite, het is zelfs mogelijk om te praten over de fase van een golffunctie. In de kwantummechanica, de golffunctie is een centraal begrip en het primaire kenmerk van een object. Een Josephson-junctie is een apparaat gemaakt van twee supergeleiders gescheiden door een 1-2 nanometer laag diëlektrisch materiaal.

Vladimir Gurtovoi, een senior onderzoekswetenschapper bij MIPT's Laboratory of Artificial Quantum Systems en een van de auteurs van het artikel, commentaar op de resultaten:"Onze technologie is opmerkelijk eenvoudig:we gebruiken een materiaal dat vrij typisch is voor onderzoek naar supergeleiding en standaard fabricagetechnieken zoals elektronenstraallithografie en hoogvacuümafzetting van aluminium. het eindresultaat is een systeem dat nog niet eerder is onderzocht."

De onderzoekers koelden het apparaat af tot 0,6 kelvin, onder de temperatuur van de supergeleidende overgang van aluminium, en een voorspanningsstroom aangelegd. In een variabel magnetisch veld, de natuurkundigen observeerden periodieke spanningssprongen die overeenkomen met de veranderingen in de kwantumtoestanden van de supergeleidende lussen van de detector. De spanning oscilleert met de periode die overeenkomt met het fluxquantum dat de detector binnendringt. Een fluxquantum is de minimale hoeveelheid waarmee een magnetische flux die door een supergeleidende contour loopt, kan veranderen.

De experimentele opstelling is een variatie op het traditionele supergeleidende kwantuminterferentieapparaat, of INKTVIS. Echter, de auteurs gebruikten een onconventionele geometrische configuratie van supergeleiders.

Door een theoretische analyse van de werking van het apparaat uit te voeren, de onderzoekers toonden aan (zie de bijlage) dat de supergeleidende stroom door de twee Josephson-knooppunten in de nieuwe interferometer gelijk is aan de som van de individuele stromen door elk van de knooppunten met enkele fasecorrecties, die leiden tot spanningssprongen die optreden wanneer de kwantumgetallen die zijn gekoppeld aan de toestanden van de twee lussen veranderen. Opmerkelijk, detectorrespons wordt bepaald door de kwantumgetallen. Het nieuwe apparaat is daarom een ​​perfecte kwantumtoestandsdetector.

"De nieuwe configuratie verbetert de gevoeligheid van de conventionele SQUID aanzienlijk. de reikwijdte van mogelijke zwakke magnetische veldmetingen is groter, " legt Vladimir Gurtovoi uit.

Coherente supergeleidende systemen worden nu intensief onderzocht. Onder andere, ze kunnen worden gebruikt als qubits - de basiseenheden van informatie die door een kwantumcomputer worden verwerkt. De qubit is een kwantumanaloog van de klassieke bit:terwijl een gewone bit gegevens opslaat als nullen en enen, een kwantumbit kan zich in een superpositie van twee toestanden bevinden, dat wil zeggen, zowel nul als één tegelijk. Hoewel kwantumcomputers hierdoor niet in alle bewerkingen hun klassieke tegenhangers kunnen overtreffen, ze kunnen waarschijnlijk in een aantal speciale gevallen buitengewoon effectief zijn. Deze omvatten modellering van kwantumsystemen, decodering, en database zoeken. MIPT's laboratorium voor kunstmatige kwantumsystemen maakt deel uit van de voortdurende wereldwijde inspanning om kwantumcomputertechnologie te ontwikkelen, inclusief qubit-ontwerp. De interferometer met dubbele contour, waarbij een van de lussen is vervangen door een qubit, kan worden gebruikt om de detectie van qubit-kwantumtoestanden te sturen.

Formule voor de stroom door de interferometer:

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

De Ia en Ib in deze uitdrukking zijn de kritische stromen voor elk van de twee Josephson-knooppunten. De verandering in de fase van de golffunctie op elk van de knooppunten, die wordt bepaald door de geometrie van de nieuwe interferometer en is hetzelfde voor beide knooppunten, wordt aangeduid met ϕa. De faseterm π(nu + nd) omvat de quantumgetallen van het impulsmoment nu en nd voor de bovenste ("up") en onderste ("down") lus, respectievelijk.

Omdat de pariteit van het kwantumgetal som nu + nd verandert wanneer een van de twee getallen verandert met 1, de tweede term in de vergelijking verandert zijn teken op een stapsgewijze manier. Aangezien de Josephson-knooppunten als identiek kunnen worden beschouwd, Ia is gelijk aan Ib, de hele uitdrukking produceert uiteindelijk twee discrete waarden voor de kritische stroom:het komt neer op Ia + Ib of - wanneer de twee termen tegengesteld zijn - is gelijk aan nul.

Als de kwantumgetalsom even is, de spanning over de interferometer is nul. In het geval van een oneven bedrag, een bekende en gemakkelijk meetbare spanning zal worden gedetecteerd.