科学突破 - 研究人员开发世界第一个量子超材料

科学家们从复杂的双量子比特中开发出了量子超材料

由双通量Qubits制成的量子超材料。超导量子超材料包括嵌入在共面波导中的15个双Qubits阵列组成。显示了双磁通Qubits(上图)的SEM图像和整个结构(下面)。每个qubit由两个超导循环分享一个共同的中央约瑟夫森交界处(α-junction)和四个相同的Josephson结位于环的外部部分。这α-junction允许磁通量在环之间隧道。插图是单个元原子的示意图 - 双通量qubit;显示节点上的阶段。信用:笨蛋

由俄罗斯和德国科学家组成的国际团队在创造看似不可能的材料方面取得了突破。他们已经设法创建了世界上第一个量子超材料,其可以用作超导电路中的控制元件。

超材料是其特性由它们由它们由其组成而不是原子的结构而不是原子的结构布置的物质。每种结构都是数百纳米,当科学家试图将材料分成其组件时,它具有自己的一组消失。这就是为什么这样的结构被称为元 -原子(不要与Mendeleev`s周期表的共同原子混淆)。由元原子组成的任何物质称为荟萃材料。

直到最近,原子和元原子之间的另一个区别是,传统原子的性质是用量子力学方程来描述的,而元原子是用经典物理方程来描述的。然而,量子位元的发明带来了一个潜在的机会,可以构建由超原子组成的超材料,这些超原子的状态可以用量子力学来描述。然而,这项研究需要创造不寻常的量子位。

在NUST MISIS超导超材料实验室主任Alexey Ustinov教授的带领下,一个由来自NUST MISIS、德国卡尔斯鲁厄理工学院和德国耶拿IPHT的科学家组成的国际团队,创造了世界上第一个所谓的“孪生”量子位,以及在此基础上的一种超材料。由于新材料的优异性能,它将有可能创造超导电子设备的关键元素之一,”NUST MISIS校长Alevtina Chernikova说。

科学家从Qubits开发量子超材料

双态Quin Quin的转换频率的磁场依赖性。地面状态的能量(一种)和过渡能量高频01.从欧洲央出的汉密尔顿人计算的双胞胎QUB。(1)(B.)。参数α = 0.72 andC = 5.2 fF and the Josephson energy isE.j= 50兆赫。这些依赖关系Φ0.定期和对称相对Φ/Φ0.= 0.5。的最小点(B.) plot对应于中心连接阶段的过渡φ.0.从零到π。信用:笨蛋

吉利·斯普尔加(Kirill Shulga)是超导超级材料崎岖实验室和该项目的第一作者的研究员,指出,传统的QUBEB由包括三个JosephseNonition的计划组成。然而,双标准由对对称的五个接合部组成,该连接是中心轴的。

“双胞胎Qubits应该用作比传统超导Qubits更复杂的系统。这里的逻辑非常简单:一个更复杂的(人工复杂的)系统,具有大量自由度,具有更高的因素,可以影响其性质。在更改我们的页面所在的环境的一些外部属性时,我们可以通过从一个状态与其他属性的一个状态转换为另一个状态来打开和关闭这些属性,“他补充说。

在实验期间,这在实验中变得显而易见,因为整个超级材料由两种不同模式之间切换到两种不同模式之间。

科学家开发了新的量子超材料Qubits

微波通过量子超材料在不同区域的传输。一种透射系数幅度的测量依赖性T.(归一化到零场的值)施加直流磁场(与线圈中的偏置电流成比例,下轴)和频率F。上部水平轴转换磁通量中的场Φ每量子位单回路。传输T.显示了磁通量变化下的剧烈变化Φ。人们可以看到两种不同的微波传播范围,几乎扁平的传输差异零场和敏锐的谐振增强在11-14GHz附近的磁通量Φ ~ ±Φ0./ 2。B.横切一种在固定频率为13 GHz。锐峰对应于双胞胎QUBITS中量子状态之间的相干隧道(参见文本)。C横切一种固定频率为10ghz。急剧的跳跃对应于0到之间的过渡π在双QUBBit的中心结阶段(参见文本)。红色曲线是一个适合理论上预测的依赖eq。(12)学分:笨蛋

“在其中一种模式中,量子位链在微波范围内很好地传输电子辐射,同时仍然是一个量子元素。在另一种模式下,它将超导相位旋转180度,并锁定了电磁波通过自身的传输。然而它仍然是一个量子系统。所以磁场的帮助下,这种材料可以用作控制元件在系统量子信号(独立的光子)电路,从发展中量子计算机由雄厚Ilya Besedin说工程师斯实验室超导材料和项目的研究人员之一。

与标准量子位的特性相比,在标准计算机上精确计算一个孪生量子位的特性是困难的。如果量子位元变得更复杂几倍,就有可能达到复杂性的极限,达到接近或超过现代电子计算机能力的水平。这种复杂的系统可以作为量子模拟器,即可以预测或模拟某一真实过程或材料的特性的装置。

正如研究人员所指出的,他们必须整理出许多理论来正确描述发生在量子超材料中的过程。这篇题为《由双通量量子比特组成的量子超材料的磁诱导透明度》的文章是这项研究的成果,并发表在《自然通讯》杂志上。

发表:K. V. Shulga等,“双通量量子比特组成的量子超材料的磁诱导透明度”,《自然通讯》9,文章编号:150 (2018)doi: 10.1038 / s41467 - 017 - 02608 - 8

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