Физики создали детектор квантовых состояний

Специалисты МФТИ, Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, а также физического факультета Университета Роял Холлоуэй описали новый прибор на страницах журнала Nano Letters. Этот работающий при низких температурах датчик магнитного поля способен стать как исследовательским инструментом, так и элементом построения квантовых компьютерных систем.

Детектор состоит из двух сверхпроводящих контуров, связанных джозефсоновскими переходами (джозефсоновским контактом называют два сверхпроводника, разделенных тонким слоем (1-2 нм) диэлектрика) 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 - это 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.

Как подчеркнул один из авторов, старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Владимир Гуртовой: «Наша технология на удивление проста, мы берем 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 получаем систему, которую до нас никто не изучал».

Теоретический анализ работы прибора показал, 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 СКВИД-а. Таким образом, данный прибор является идеальным детектором квантовых состояний.