Utveckling av en kvantdator som kan lösa problem, som klassiska datorer bara kan lösa med stor ansträngning eller inte alls-det är målet som för närvarande eftersträvas av ett ständigt växande antal forskargrupper över hela världen. Anledningen:Kvanteffekter, som härstammar från världen av de minsta partiklarna och strukturerna, möjliggöra många nya tekniska tillämpningar. Så kallade supraledare, som möjliggör behandling av information och signaler enligt kvantmekanikens lagar, anses vara lovande komponenter för att förverkliga kvantdatorer. En stickpunkt för supraledande nanostrukturer, dock, är att de bara fungerar vid mycket låga temperaturer och därför är svåra att få till praktiska tillämpningar.

Forskare vid universitetet i Münster och Forschungszentrum Jülich nu, för första gången, visat upp det som kallas energikvantisering i nanotrådar av högtemperatur superledare — jag. e. superledare, där temperaturen höjs under vilken kvantmekaniska effekter dominerar. Den supraledande nanotråden antar då endast utvalda energitillstånd som kan användas för att koda information. I högtemperatur superledare, forskarna kunde också för första gången observera absorptionen av en enda foton, en ljus partikel som tjänar till att överföra information.

"Å ena sidan, våra resultat kan bidra till användningen av avsevärt förenklad kylteknik i kvantteknologi i framtiden, och å andra sidan, de ger oss helt nya insikter om processerna som styr superledande tillstånd och deras dynamik, som fortfarande inte förstås, "betonar studieledaren jun. prof. Carsten Schuck från Institute of Physics vid Münster University. Resultaten kan därför vara relevanta för utvecklingen av nya typer av datorteknik. Studien har publicerats i tidskriften Naturkommunikation .

Bakgrund och metoder:

Forskarna använde supraledare gjorda av elementen yttrium, barium, kopparoxid och syre, eller YBCO för kort, varifrån de tillverkade några nanometer tunna trådar. När dessa strukturer leder elektrisk ström uppstår fysikalisk dynamik som kallas "fashalkar". När det gäller YBCO nanotrådar, fluktuationer i laddningsbärartätheten orsakar variationer i överströmmen. Forskarna undersökte processerna i nanotrådarna vid temperaturer under 20 Kelvin, vilket motsvarar minus 253 grader Celsius. I kombination med modellberäkningar, de demonstrerade en kvantisering av energitillstånd i nanotrådarna. Temperaturen vid vilken trådarna gick in i kvanttillståndet hittades vid 12 till 13 Kelvin - en temperatur som är flera hundra gånger högre än den temperatur som krävs för de material som normalt används. Detta gjorde det möjligt för forskarna att producera resonatorer, dvs oscillerande system inställda på specifika frekvenser, med mycket längre livslängd och för att behålla de kvantmekaniska tillstånden längre. Detta är en förutsättning för långsiktig utveckling av allt större kvantdatorer.

Absorption av en enda foton i högtemperatur superledare

Ytterligare viktiga komponenter för utveckling av kvantteknik, men potentiellt även för medicinsk diagnostik, är detektorer som kan registrera även enfoton. Carsten Schucks forskargrupp vid Münster University har i flera år arbetat med att utveckla sådana enkelfotondetektorer baserade på supraledare. Det som redan fungerar bra vid låga temperaturer, forskare över hela världen har försökt uppnå med högtemperatur superledare i mer än ett decennium. I de YBCO -nanotrådar som användes för studien, detta försök har nu lyckats för första gången. "Våra nya fynd banar väg för nya experimentellt verifierbara teoretiska beskrivningar och teknisk utveckling, "säger medförfattaren Martin Wolff från Schuck-forskargruppen.