27 февраля 2020, четверг, 19:27
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

26 декабря 2017, 15:44

Детектор квантовых состояний

Пресс-служба МФТИ

Физики из МФТИ в составе российско-британского коллектива разработали сверхпроводящий детектор квантовых состояний. Этот, работающий при низких температурах, датчик магнитного поля способен стать как исследовательским инструментом, так и элементом построения квантовых компьютерных систем.

Специалисты МФТИ, Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, а также физического факультета университета Роял-Холлоуэй описали новый прибор на страницах журнала Nano Letters. Детектор состоит из двух сверхпроводящих контуров, связанных джозефсоновскими переходами таким образом, что разность фаз волновых функций на сегментах этих контуров скачкообразно меняет критический ток всей структуры от нуля до максимального и обратно при последовательном изменении квантовых чисел в каждом из контуров. 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.

Волновая функция: функция, применяемая для описания квантовых объектов (от единичной частицы до сложных систем) - каждой точке пространства соответствует некоторое число, амплитуда волновой функции. Название “волновая” обозначает то, что поведение волновой функции (и описываемого ей объекта) оказывается подобно поведению обычных волн - в частности, можно говорить не только об амплитуде, но и фазе. В квантовой механике волновая функция - одно из важнейших понятий и основная характеристика объекта.

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

Как подчеркнул один из авторов, 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 фабрикации, такие как электронно-лучевая литография и высоковакуумное напыление алюминия. А в итоге, мы получаем систему, которую до нас никто не изучал».

Рисунок 1: 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 Кельвин), 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 поправкой, что российско-британский коллектив использовал ранее неисследованную геометрическую конфигурацию сверхпроводников.

Рисунок 2: 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 прибора 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, данный прибор является идеальным детектором квантовых состояний.

Старший научный сотрудник Владимир Гуртовой, один из авторов работы, в лаборатории. Пресс-служба МФТИ, Евгений Пелевин.

«Новая конфигурация оказалась намного чувствительнее в сравнении с традиционными СКВИД-ами со 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 быть чрезвычайно эффективны в ряде специальных случаев – например, при моделировании квантовых же систем, при взломе шифров и поисках в 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. Данный интерферометр может использоваться для детектирования квантовых состояний сверхпроводящих кубитов, если один из сверхпроводящих контуров будет заменен на кубит.

Обсудите в соцсетях

«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера вакцинация викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2020.