Elektrofysiska egenskaper hos detektorn testades på en sondstation. Upphovsman:Evgeniy Pelevin/MIPT
Fysiker från MIPT har samarbetat med sina kollegor i Ryssland och Storbritannien och utvecklat en supraledande kvanttillståndsdetektor. Den nya enheten kan upptäcka magnetfält vid låga temperaturer och är användbar för både forskare och kvantdatortekniker.
Forskarna, som kommer från MIPT, institutet för mikroelektronik och material med hög renhet från ryska vetenskapsakademien, och Royal Holloway, University of London, beskrev den nya enheten i Nano bokstäver . Detektorn består av två supraledande aluminiumslingor kopplade av Josephson -korsningar. En fasskillnad mellan vågfunktionerna på slingasegment gör att den kritiska strömmen i enheten ändras från noll till maximalt och tillbaka till noll på ett steglikt sätt med förändringen av kvantnumren i var och en av slingorna. De två slingorna placeras ovanpå varandra på ett platt chip. Viktigt, de är kopplade av Josephson -korsningar.
Begreppet vågfunktion avser ett sätt att beskriva kvantobjekt, inklusive enskilda partiklar och mer komplexa system. En vågfunktion tilldelar ett värde som kallas sannolikhetsamplitud till alla punkter i rymden. Termerna "våg" och "amplitud" innebär att de objekt som beskrivs av vågfunktioner beter sig ungefär som vågor. Faktiskt, det är till och med möjligt att tala om fasen i en vågfunktion. Inom kvantmekanik, vågfunktionen är ett centralt begrepp och ett objekts primära egenskap. En Josephson-korsning är en enhet gjord av två supraledare separerade med ett 1-2 nanometer lager dielektriskt material.
Vladimir Gurtovoi, en senior forskare vid MIPT's Laboratory of Artificial Quantum Systems och en av författarna till uppsatsen, kommenterade resultaten:"Vår teknik är anmärkningsvärt enkel:Vi använder ett material som är ganska typiskt för supraledningsforskning och standardtillverkningstekniker som elektronstråle litografi och högvakuumavsättning av aluminium. Men slutresultatet är ett system som inte har studerats tidigare. "
Forskarna kylde ned enheten till 0,6 kelvin, under temperaturen för den supraledande övergången av aluminium, och applicerade en förspänningsström. I ett variabelt magnetfält, fysikerna observerade periodiska spänningshopp motsvarande förändringarna i kvanttillstånden i detektorns supraledande öglor. Spänningen oscillerar med perioden motsvarande flödeskvantet som tränger in i detektorn. En flödeskvant är den minimimängd med vilken ett magnetiskt flöde som träder en supraledande kontur kan förändras.
Senior forskare Vladimir Gurtovoi, som var medförfattare till tidningen, på laboratoriet. Upphovsman:Evgeniy Pelevin/MIPT
Den experimentella inställningen är en variant på den traditionella supraledande kvantstörningsanordningen, eller SQUID. Dock, författarna använde en okonventionell geometrisk konfiguration av supraledare.
Genom att göra en teoretisk analys av enhetens funktion, forskarna visade (se bilagan) att den superledande strömmen genom de två Josephson -korsningarna i den nya interferometern är lika med summan av de enskilda strömmarna genom var och en av korsningarna med några faskorrigeringar, vilket leder till att spänningshopp inträffar när kvantnumren som är associerade med tillstånden för de två slingorna ändras. I synnerhet, detektorsvaret bestäms av kvantnumren. Den nya enheten är därför en perfekt kvanttillståndsdetektor.
"Den nya konfigurationen förbättrar avsevärt känsligheten hos den konventionella SQUID. Som ett resultat, omfattningen av möjliga svaga magnetfältmätningar är större, "förklarar Vladimir Gurtovoi.
Sammanhängande supraledande system undersöks nu intensivt. Bland annat, de kan användas som qubits - de grundläggande informationsenheterna som behandlas av en kvantdator. Qubit är en kvantanalog av den klassiska biten:Medan en vanlig bit lagrar data som nollor och enor, en kvantbit kan vara i en superposition av två tillstånd - det vill säga både noll och en samtidigt. Även om detta inte tillåter kvantdatorer att överträffa sina klassiska motsvarigheter i alla operationer, de kan förmodligen vara extremt effektiva i ett antal specialfall. Dessa inkluderar modeller för kvantsystem, dekryptering, och databassökning. MIPT's Laboratory of Artificial Quantum Systems är en del av det pågående globala arbetet med att utveckla kvantberäkningsteknik, inklusive qubit -design. Dubbelkonturinterferometern med en av slingorna ersatta med en qubit kan användas för att styra detekteringen av kvbitkvanttillstånd.
Schemat till vänster visar två supraledande slingor kopplade med två Josephson -korsningar. Strömmarna som flyter genom Josephson -korsningarna a och b representeras av Ja sin (ϕa) och Jb sin (ϕb), respektive, där ϕ är fasen i vågfunktionen - ett kvantvärde som kännetecknar systemet som helhet. Till höger är en falsk färgbild av experimentsystemet. Bild med tillstånd av författarna till forskningen. Kredit:10.1021/acs.nanolett.7b01602
Formel för strömmen genom interferometern:
Is =Iasin (ϕa) + Ibsin (ϕa + π (nu + nd))
Ia och Ib i detta uttryck är de kritiska strömmarna för var och en av de två Josephson -korsningarna. Förändringen i fasen av vågfunktionen på var och en av korsningarna, som bestäms av den nya interferometerns geometri och är densamma för båda korsningarna, betecknas med ϕa. Fasbegreppet π (nu + nd) inkluderar kvanttalet vinkelmoment nu och nd för övre ("upp") och nedre ("ned") slingan, respektive.
Eftersom pariteten för kvantnummersumman nu + nd ändras när ett av de två talen ändras med 1, den andra termen i ekvationen ändrar sitt tecken på ett steglikt sätt. Eftersom Josephson -korsningarna kan anses vara identiska, Ia är lika med Ib, hela uttrycket ger slutligen två diskreta värden för den kritiska strömmen:Det antingen uppgår till Ia + Ib eller - när de två termerna är motsatta - lika med noll.
Om kvantnummersumman är jämn, spänningen över interferometern är noll. Vid en ojämn summa, en känd och lätt mätbar spänning kommer att detekteras.