Supraledande kvantmetamaterial som består av en array av 15 dubbla qubits inbäddade i en koplanär vågledare. En SEM-bild av dubbla flödesqubits (ovan) och en hel struktur (nedan) visas. Varje qubit består av två supraledande slingor som delar en gemensam central Josephson-övergång (α-övergång) och fyra identiska Josephson-övergångar placerade på de yttre delarna av slingorna. α-övergången tillåter det magnetiska flödet att tunnla mellan slingorna. Insättningen är en schematisk bild av en enda metaatom - den dubbla flödes-qubiten; faserna på noderna visas Kredit:NUST MISIS
Ett internationellt team bestående av ryska och tyska forskare har gjort ett genombrott i skapandet av till synes omöjliga material. De har skapat världens första kvantmetamaterial som kan användas som styrelement i supraledande elektriska kretsar.
Metamaterial är ämnen vars egenskaper bestäms av atomernas strukturella arrangemang. Varje struktur är hundratals nanometer, och har sin egen uppsättning egenskaper som försvinner när forskare försöker separera materialet i dess komponenter. En sådan struktur kallas en metaatom (inte att förväxla med de vanliga atomerna i Mendeleevs periodiska system). Varje ämne som består av metaatomer kallas ett metamaterial.
Tills nyligen, en annan skillnad mellan atomer och meta-atomer var att egenskaperna hos konventionella atomer beskrevs av kvantmekaniska ekvationer, medan metaatomer beskrevs av klassiska fysikekvationer. Dock, skapandet av qubits ledde till möjligheten att konstruera metamaterial bestående av metaatomer vars tillstånd kunde beskrivas kvantmekaniskt. Dock, denna forskning krävde skapandet av ovanliga qubits.
Ett internationellt team av forskare har skapat världens första så kallade "tvilling" qubit, samt ett metamaterial på dess grund. Tack vare de enastående egenskaperna hos det nya materialet, det kommer att vara möjligt att skapa ett av nyckelelementen i supraledande elektroniska enheter.
Energin för grundtillståndet (a) och övergångsenergin hf01 för den dubbla qubiten beräknad från Hamiltonian av ekv. (1) (b). Parametrarna a?=?0,72 och C?=?5,2 fF och Josephson-energin är E J ?=?50?GHz. Dessa beroenden är Φ0 periodiska och symmetriska med avseende på Φ/Φ0?=?0,5. Minimipunkten för (b)-diagrammet motsvarar övergången av den centrala övergångsfasen φ0 från noll till π. Kredit:NUST MISIS
Kirill Shulga, en forskare vid NUST MISIS Laboratory of Superconducting Metamaterials och den första författaren till projektet, noterade att en konventionell qubit består av ett schema som inkluderar tre Josephson-korsningar. Den dubbla qubiten, dock, består av fem korsningar som är symmetriska med centralaxeln (se diagram).
"Tvilling qubits var tänkt att fungera som ett mer komplext system än de konventionella supraledande qubits. Logiken här är ganska enkel:ett mer komplext (artificiellt komplext) system, med ett stort antal frihetsgrader, har ett högre antal faktorer som kan påverka dess egenskaper. När du ändrar vissa yttre egenskaper hos miljön där vårt metamaterial finns, vi kan slå på och av dessa egenskaper genom att vrida twin qubit från ett tillstånd med vissa egenskaper till ett annat med andra egenskaper, " han sa.
Detta blev uppenbart under experimentet, som hela metamaterialet bestående av dubbla qubits växlade mellan två olika lägen.
a Det uppmätta beroendet av amplituden för överföringskoefficienten t (normaliserad till värdet vid nollfält) på det applicerade likströmsmagnetfältet (proportionellt mot förspänningsströmmen i spolen, lägre axel) och frekvens f. Den övre horisontella axeln översätter fältet i magnetiskt flöde Φ per qubit enkel slinga. Transmissionen t visar de skarpa förändringarna under variation av det magnetiska flödet Φ. Man kan se två olika intervall av mikrovågsutbredning, nästan platt överföring runt nollfält och skarp resonansförstärkning av överföringen nära 11-14?GHz vid magnetiskt flöde Φ?~?±Φ0/2. b Ett tvärsnitt av a vid den fasta frekvensen 13?GHz. De skarpa topparna motsvarar koherent tunnling mellan kvanttillstånd i de dubbla kvantbitarna (se text). c Ett tvärsnitt av a vid den fasta frekvensen 10?GHz. De skarpa hoppen motsvarar en övergång mellan noll och π-fas på den centrala korsningen av tvillingkvbiten (se text). Röd kurva är en anpassning till det teoretiskt förutspådda beroendet Ekv. (12) Kredit:NUST MISIS
"I ett av lägena, kedjan av qubits sänder elektronisk strålning i mikrovågsområdet mycket bra samtidigt som den förblir ett kvantelement. I ett annat läge, den vrider den supraledande fasen 180 grader och låser överföringen av elektromagnetiska vågor genom sig själv. Ändå är det fortfarande ett kvantsystem. Så med hjälp av ett magnetfält, ett sådant material kan användas som styrelement i system för kvantsignaler (separata fotoner) i kretsar, från vilken utvecklande kvantdatorer består av, " sa Ilya Besedin, en ingenjör vid NUST MISIS Laboratory of Superconducting Metamaterials.
Det är svårt att exakt beräkna egenskaperna för en tvilling qubit på en standarddator jämfört med egenskaperna hos en standard qubit. Det är möjligt att nå gränsen för komplexitet, en nivå nära eller överträffar kapaciteten hos moderna elektroniska datorer, om qubits blir flera gånger mer komplexa. Ett sådant komplext system kan användas som en kvantsimulator, dvs en anordning som kan förutsäga eller simulera egenskaper hos en viss verklig process eller material.
Som forskarna noterar, de var tvungna att sortera ut massor av teorier för att korrekt beskriva de processer som sker i kvantmetamaterial. Artikeln, "Den magnetiskt inducerade transparensen av ett kvantmetamaterial som består av dubbla flödesqubitar, " publiceras i Naturkommunikation .
