Een internationaal team bestaande uit Russische en Duitse wetenschappers heeft een doorbraak bereikt in het creëren van schijnbaar onmogelijke materialen. Ze hebben 's werelds eerste kwantummetamateriaal gemaakt dat kan worden gebruikt als een controle-element in supergeleidende elektrische circuits.

Metamaterialen zijn stoffen waarvan de eigenschappen worden bepaald door de structurele rangschikking van de atomen. Elke structuur is honderden nanometers, en heeft zijn eigen reeks eigenschappen die verdwijnen wanneer wetenschappers proberen het materiaal in zijn componenten te scheiden. Zo'n structuur wordt een meta-atoom genoemd (niet te verwarren met de gewone atomen van het periodiek systeem van Mendelejev). Elke stof die uit meta-atomen bestaat, wordt een meta-materiaal genoemd.

Tot voor kort, een ander verschil tussen atomen en meta-atomen was dat de eigenschappen van conventionele atomen werden beschreven door kwantummechanica-vergelijkingen, terwijl meta-atomen werden beschreven door klassieke natuurkundige vergelijkingen. Echter, de creatie van qubits leidde tot de mogelijkheid om metamaterialen te construeren bestaande uit meta-atomen waarvan de toestand kwantummechanisch kon worden beschreven. Echter, dit onderzoek vereiste de creatie van ongebruikelijke qubits.

Een internationaal team van wetenschappers heeft 's werelds eerste zogenaamde "tweeling" qubit gemaakt, evenals een metamateriaal op zijn basis. Dankzij de uitstekende eigenschappen van het nieuwe materiaal, het zal mogelijk zijn om een ​​van de belangrijkste elementen in supergeleidende elektronische apparaten te creëren.

Kirill Shulga, een onderzoeker bij het NUST MISIS Laboratory of Superconducting Metamaterials en de eerste auteur van het project, merkte op dat een conventionele qubit bestaat uit een schema dat drie Josephson-knooppunten omvat. De dubbele qubit, echter, bestaat uit vijf knooppunten die symmetrisch zijn met de centrale as (zie diagram).

"Twin qubits zouden dienen als een complexer systeem dan de conventionele supergeleidende qubits. De logica hier is vrij eenvoudig:een complexer (kunstmatig complex) systeem, met een groot aantal vrijheidsgraden, heeft een groter aantal factoren die de eigenschappen ervan kunnen beïnvloeden. Bij het veranderen van enkele externe eigenschappen van de omgeving waar ons metamateriaal zich bevindt, we kunnen deze eigenschappen in- en uitschakelen door de dubbele qubit van de ene staat met bepaalde eigenschappen naar een andere met andere eigenschappen te draaien, " hij zei.

Dit bleek tijdens het experiment, als het hele metamateriaal bestaande uit dubbele qubits omgeschakeld tussen twee verschillende modi.

"In een van de modi, de keten van qubits zendt elektronische straling in het microgolfbereik heel goed uit, terwijl het een kwantumelement blijft. In een andere modus, het draait de supergeleidende fase 180 graden en vergrendelt de transmissie van elektromagnetische golven door zichzelf. Toch blijft het een kwantumsysteem. Dus met behulp van een magnetisch veld, zo'n materiaal kan worden gebruikt als stuurelement in systemen voor kwantumsignalen (afzonderlijke fotonen) in schakelingen, waaruit de ontwikkeling van kwantumcomputers bestaat, " zei Ilya Besedin, een ingenieur bij het NUST MISIS-laboratorium voor supergeleidende metamaterialen.

Het is moeilijk om de eigenschappen van een dubbele qubit nauwkeurig te berekenen op een standaardcomputer in vergelijking met de eigenschappen van een standaardqubit. Het is mogelijk om de limiet van complexiteit te bereiken, een niveau dat de mogelijkheden van moderne elektronische computers benadert of overtreft, als qubits meerdere keren complexer worden. Zo'n complex systeem kan worden gebruikt als een kwantumsimulator, d.w.z. een apparaat dat eigenschappen van een bepaald echt proces of materiaal kan voorspellen of simuleren.

Zoals de onderzoekers opmerken, ze moesten heel wat theorieën op een rijtje zetten om de processen die plaatsvinden in kwantummetamaterialen correct te beschrijven. Het artikel, "De magnetisch geïnduceerde transparantie van een kwantummetamateriaal bestaande uit dubbele fluxqubits, " is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .