Физики из МФТИ в составе российско-британского коллектива разработали сверхпроводящий детектор квантовых состояний. 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 о фазе. В квантовой механике волновая функция — одно из важнейших понятий и основная характеристика объекта.

Джозефсоновским контактом называют два сверхпроводника, разделённых тонким слоем (1–2 нм) диэлектрика.

Работу прокомментировал 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».

Готовый прибор исследователи охладили до температур ниже сверхпроводящего перехода алюминия, около абсолютного нуля (0,6–1,3 кельвинов), 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 не исследованную геометрическую конфигурацию сверхпроводников.

Теоретический анализ работы прибора показал (см. приложение), 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.

«Новая конфигурация оказалась намного чувствительнее в сравнении с традиционными СКВИДами 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 заменён на кубит.

Приложение

Формула для тока через описанную систему имеет следующий вид:

Is = Iasin(φa) + Ibsin(φa + π(nu +nd))

В этом выражении Ia и Ib — критические токи отдельных джозефсоновских переходов, φa — определяемое геометрией нового интерферометра одинаковое изменение фазы волновой функции на каждом переходе, а π(nu +nd) — фазовое слагаемое, в котором nu и nd целые числа квантования момента импульса в верхнем и нижнем сверхпроводящих контурах.

Поскольку сумма (nu +nd) меняет чётность при изменении одного из чисел на единицу, то второе слагаемое скачком меняет знак. А так как оба джозефсоновских перехода можно считать одинаковыми, то Ia оказывается равным Ib — и это приводит к тому, что всё выражение даёт в итоге два дискретных значения критического тока. Критический ток либо равен Ia+Ib, либо становится нулевым, второе слагаемое компенсирует первое.

В случае чётной суммы квантовых чисел на интерферометре будет нулевое напряжение, а при нечётной сумме — легко измеряемое ненулевое напряжение.