Os físicos do MIPT se uniram a seus colegas na Rússia e na Grã-Bretanha e desenvolveram um detector de estado quântico supercondutor. O novo dispositivo pode detectar campos magnéticos em baixas temperaturas e é útil tanto para pesquisadores quanto para engenheiros de computação quântica.

Os pesquisadores, que vêm do MIPT, o Instituto de Microeletrônica e Materiais de Alta Pureza da Academia Russa de Ciências, e Royal Holloway, Universidade de Londres, descreveu o novo dispositivo em Nano Letras . O detector consiste em dois circuitos supercondutores de alumínio acoplados por junções Josephson. Uma diferença de fase entre as funções de onda nos segmentos de loop faz com que a corrente crítica no dispositivo mude de zero para o máximo e de volta a zero de forma escalonada com a mudança dos números quânticos em cada um dos loops. Os dois loops são colocados um sobre o outro em um chip plano. Mais importante, eles são acoplados por junções Josephson.

A noção de uma função de onda se refere a uma maneira de descrever objetos quânticos, incluindo partículas individuais e sistemas mais complexos. Uma função de onda atribui um valor denominado amplitude de probabilidade a todos os pontos no espaço. Os termos "onda" e "amplitude" implicam que os objetos descritos por funções de onda se comportam de maneira muito semelhante a ondas. Na verdade, é até possível falar sobre a fase de uma função de onda. Na mecânica quântica, a função de onda é um conceito central e a principal característica de um objeto. Uma junção Josephson é um dispositivo feito de dois supercondutores separados por uma camada de 1-2 nanômetros de material dielétrico.

Vladimir Gurtovoi, um cientista pesquisador sênior no Laboratório de Sistemas Quânticos Artificiais do MIPT e um dos autores do artigo, comentou sobre os resultados:"Nossa tecnologia é notavelmente simples:usamos um material bastante típico para pesquisas de supercondutividade e técnicas de fabricação padrão, como litografia por feixe de elétrons e deposição de alumínio a alto vácuo. No entanto, o resultado final é um sistema que não foi estudado antes. "

Os pesquisadores resfriaram o dispositivo para 0,6 kelvins, abaixo da temperatura de transição supercondutora do alumínio, e aplicou uma corrente de polarização. Em um campo magnético variável, os físicos observaram saltos periódicos de voltagem correspondentes às mudanças nos estados quânticos dos loops supercondutores do detector. A tensão oscila com o período correspondente ao quantum de fluxo que penetra no detector. Um quantum de fluxo é a quantidade mínima pela qual um fluxo magnético que atravessa um contorno supercondutor pode mudar.

A configuração experimental é uma variação do dispositivo de interferência quântica supercondutor tradicional, ou SQUID. Contudo, os autores empregaram uma configuração geométrica não convencional de supercondutores.

Ao realizar uma análise teórica do funcionamento do dispositivo, os pesquisadores mostraram (veja o apêndice) que a corrente supercondutora através das duas junções Josephson no novo interferômetro é igual à soma das correntes individuais através de cada uma das junções com algumas correções de fase, que levam a saltos de tensão que ocorrem quando os números quânticos associados aos estados dos dois loops mudam. Notavelmente, a resposta do detector é determinada pelos números quânticos. O novo dispositivo é, portanto, um detector de estado quântico perfeito.

"A nova configuração melhora substancialmente a sensibilidade do SQUID convencional. Como resultado, o escopo de possíveis medições de campo magnético fraco é maior, "explica Vladimir Gurtovoi.

Sistemas supercondutores coerentes são agora intensamente investigados. Entre outras coisas, eles poderiam ser usados ​​como qubits - as unidades básicas de informação processadas por um computador quântico. O qubit é um análogo quântico do bit clássico:enquanto um bit regular armazena dados como zeros e uns, um bit quântico pode estar em uma superposição de dois estados, isto é, zero e um ao mesmo tempo. Embora isso não permita que os computadores quânticos superem suas contrapartes clássicas em todas as operações, eles provavelmente poderiam ser extremamente eficazes em vários casos especiais. Isso inclui modelagem de sistema quântico, descriptografia, e pesquisa de banco de dados. O Laboratório de Sistemas Quânticos Artificiais do MIPT faz parte do esforço global em andamento para desenvolver tecnologia de computação quântica, incluindo design qubit. O interferômetro de duplo contorno com um dos loops substituído por um qubit pode ser usado para direcionar a detecção de estados quânticos de qubit.

Fórmula para a corrente através do interferômetro:

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

O Ia e Ib nesta expressão são as correntes críticas para cada uma das duas junções Josephson. A mudança na fase da função de onda em cada uma das junções, que é determinado pela geometria do novo interferômetro e é o mesmo para ambas as junções, é denotado por ϕa. O termo de fase π (nu + nd) inclui os números quânticos de momento angular nu e nd para o loop superior ("para cima") e inferior ("para baixo"), respectivamente.

Como a paridade da soma do número quântico nu + nd muda quando um dos dois números muda em 1, o segundo termo na equação muda seu sinal de uma maneira semelhante a uma escada. Uma vez que as junções Josephson podem ser consideradas idênticas, Ia é igual a Ib, a expressão inteira acaba produzindo dois valores discretos para a corrente crítica:ou equivale a Ia + Ib ou - quando os dois termos são opostos - igual a zero.

Se a soma do número quântico for par, a tensão no interferômetro é zero. No caso de uma soma desigual, uma tensão conhecida e facilmente mensurável será detectada.