Metamaterial quântico supercondutor que consiste em uma matriz de 15 qubits gêmeos incorporados em um guia de onda coplanar. Uma imagem SEM de qubits de fluxo gêmeo (acima) e uma estrutura inteira (abaixo) são mostradas. Cada qubit consiste em dois loops supercondutores que compartilham uma junção Josephson central comum (junção α) e quatro junções Josephson idênticas localizadas nas partes externas dos loops. A junção α permite que o fluxo magnético faça um túnel entre os loops. A inserção é um esquema de um único meta-átomo - o qubit de fluxo gêmeo; as fases nos nós são mostradas Crédito:NUST MISIS
Uma equipe internacional composta por cientistas russos e alemães fez uma descoberta na criação de materiais aparentemente impossíveis. Eles criaram o primeiro metamaterial quântico do mundo que pode ser usado como um elemento de controle em circuitos elétricos supercondutores.
Metamateriais são substâncias cujas propriedades são determinadas pelo arranjo estrutural dos átomos. Cada estrutura tem centenas de nanômetros, e tem seu próprio conjunto de propriedades que desaparecem quando os cientistas tentam separar o material em seus componentes. Essa estrutura é chamada de metaátomo (não deve ser confundido com os átomos comuns da Tabela Periódica de Mendeleev). Qualquer substância consistindo de metaátomos é chamada de metamaterial.
Até recentemente, outra diferença entre átomos e meta-átomos era que as propriedades dos átomos convencionais eram descritas por equações da mecânica quântica, enquanto os meta-átomos foram descritos por equações da física clássica. Contudo, a criação de qubits levou à oportunidade de construir metamateriais consistindo em metaátomos cujo estado poderia ser descrito mecanicamente quântico. Contudo, esta pesquisa exigiu a criação de qubits incomuns.
Uma equipe internacional de cientistas criou o primeiro qubit "gêmeo" do mundo, bem como um metamaterial em sua base. Graças às excelentes propriedades do novo material, será possível criar um dos elementos-chave em dispositivos eletrônicos supercondutores.
A energia do estado fundamental (a) e a energia de transição hf01 do qubit gêmeo calculada a partir do hamiltoniano da Eq. (1) (b). Os parâmetros α? =? 0,72 e C? =? 5,2 fF e a energia de Josephson é E J? =? 50? GHz. Essas dependências são Φ0 periódicas e simétricas em relação a Φ / Φ0? =? 0,5. O ponto mínimo do gráfico (b) corresponde à transição da fase de junção central φ0 de zero para π. Crédito:NUST MISIS
Kirill Shulga, pesquisador do Laboratório de Metamateriais Supercondutores da NUST MISIS e o primeiro autor do projeto, observou que um qubit convencional consiste em um esquema que inclui três junções Josephson. O qubit gêmeo, Contudo, é composto por cinco junções simétricas ao eixo central (veja o diagrama).
"Os qubits gêmeos deveriam servir como um sistema mais complexo do que os qubits supercondutores convencionais. A lógica aqui é bastante simples:um sistema mais complexo (artificialmente complexo), com um grande número de graus de liberdade, possui um maior número de fatores que podem influenciar suas propriedades. Ao alterar algumas propriedades externas do ambiente onde nosso metamaterial está localizado, podemos ativar e desativar essas propriedades girando o qubit gêmeo de um estado com certas propriedades para outro com outras propriedades, " ele disse.
Isso se tornou aparente durante o experimento, como todo o metamaterial consistindo em qubits gêmeos alternados entre dois modos diferentes.
a A dependência medida da amplitude do coeficiente de transmissão t (normalizado para o valor no campo zero) no campo magnético CC aplicado (proporcional à corrente de polarização na bobina, eixo inferior) e frequência f. O eixo horizontal superior traduz o campo em fluxo magnético Φ por loop único de qubit. A transmissão t exibe as mudanças bruscas sob a variação do fluxo magnético Φ. Pode-se ver dois intervalos diferentes de propagação de microondas, transmissão quase plana em torno do campo zero e realce ressonante nítido da transmissão perto de 11-14? GHz no fluxo magnético Φ? ~? ± Φ0 / 2. b Um corte transversal de a na frequência fixa de 13? GHz. Os picos agudos correspondem ao tunelamento coerente entre os estados quânticos nos qubits gêmeos (veja o texto). c Um corte transversal de a na frequência fixa de 10 GHz. Os saltos bruscos correspondem a uma transição entre a fase zero e π na junção central do qubit gêmeo (ver texto). A curva vermelha é um ajuste para a dependência teoricamente prevista Eq. (12) Crédito:NUST MISIS
"Em um dos modos, a cadeia de qubits transmite radiação eletrônica na faixa de microondas muito bem, embora permaneça um elemento quântico. Em outro modo, ele gira a fase supercondutora em 180 graus e bloqueia a transmissão de ondas eletromagnéticas através de si mesmo. No entanto, ainda permanece um sistema quântico. Então, com a ajuda de um campo magnético, tal material pode ser usado como um elemento de controle em sistemas para sinais quânticos (fótons separados) em circuitos, a partir do qual o desenvolvimento de computadores quânticos consiste em, "disse Ilya Besedin, engenheiro do Laboratório de Metamateriais Supercondutores da NUST MISIS.
É difícil calcular com precisão as propriedades de um qubit gêmeo em um computador padrão em comparação com as propriedades de um qubit padrão. É possível chegar ao limite da complexidade, um nível próximo ou ultrapassando as capacidades dos modernos computadores eletrônicos, se os qubits se tornarem várias vezes mais complexos. Esse sistema complexo pode ser usado como um simulador quântico, ou seja, um dispositivo que pode prever ou simular propriedades de um determinado processo ou material real.
Como observam os pesquisadores, eles tiveram que separar muitas teorias para descrever corretamente os processos que ocorrem nos metamateriais quânticos. O artigo, "A transparência induzida magneticamente de um metamaterial quântico composto de qubits de fluxo gêmeo, "é publicado em Nature Communications .
