I fisici del MIPT hanno collaborato con i loro colleghi in Russia e Gran Bretagna e hanno sviluppato un rivelatore di stato quantistico superconduttore. Il nuovo dispositivo è in grado di rilevare campi magnetici a basse temperature ed è utile sia ai ricercatori che agli ingegneri informatici quantistici.

I ricercatori, che provengono dal MIPT, l'Istituto di microelettronica e materiali di elevata purezza dell'Accademia delle scienze russa, e Royal Holloway, Università di Londra, descritto il nuovo dispositivo in Nano lettere . Il rivelatore è costituito da due anelli di alluminio superconduttore accoppiati da giunzioni Josephson. Una differenza di fase tra le funzioni d'onda sui segmenti di loop fa sì che la corrente critica nel dispositivo cambi da zero al massimo e poi di nuovo a zero in modo graduale con il cambiamento dei numeri quantici in ciascuno dei loop. I due anelli sono posizionati uno sopra l'altro su un chip piatto. È importante sottolineare che sono accoppiati da giunzioni Josephson.

La nozione di funzione d'onda si riferisce a un modo di descrivere gli oggetti quantistici, comprese le singole particelle e i sistemi più complessi. Una funzione d'onda assegna un valore chiamato ampiezza di probabilità a tutti i punti nello spazio. I termini "onda" e "ampiezza" implicano che gli oggetti descritti dalle funzioni d'onda si comportano in modo molto simile alle onde. Infatti, è anche possibile parlare della fase di una funzione d'onda. Nella meccanica quantistica, la funzione d'onda è un concetto centrale e la caratteristica primaria di un oggetto. Una giunzione Josephson è un dispositivo costituito da due superconduttori separati da uno strato di materiale dielettrico di 1-2 nanometri.

Vladimir Gurtovoi, un ricercatore senior presso il Laboratorio di sistemi quantistici artificiali del MIPT e uno degli autori dell'articolo, ha commentato i risultati:"La nostra tecnologia è straordinariamente semplice:utilizziamo un materiale abbastanza tipico per la ricerca sulla superconduttività e le tecniche di fabbricazione standard come la litografia a fascio di elettroni e la deposizione in alto vuoto dell'alluminio. Tuttavia, il risultato finale è un sistema che non è stato studiato prima."

I ricercatori hanno raffreddato il dispositivo fino a 0,6 kelvin, al di sotto della temperatura di transizione superconduttiva dell'alluminio, e applicato una corrente di polarizzazione. In un campo magnetico variabile, i fisici hanno osservato salti di tensione periodici corrispondenti ai cambiamenti negli stati quantistici dei circuiti superconduttori del rivelatore. La tensione oscilla con il periodo corrispondente al quanto di flusso che penetra nel rivelatore. Un quanto di flusso è la quantità minima di cui può cambiare un flusso magnetico che attraversa un contorno superconduttore.

Il setup sperimentale è una variazione sul tradizionale dispositivo di interferenza quantistica superconduttore, o CALAMARI. Però, gli autori hanno impiegato una configurazione geometrica non convenzionale dei superconduttori.

Conducendo un'analisi teorica del funzionamento del dispositivo, i ricercatori hanno mostrato (vedi appendice) che la corrente superconduttiva attraverso le due giunzioni Josephson nel nuovo interferometro è uguale alla somma delle singole correnti attraverso ciascuna delle giunzioni con alcune correzioni di fase, che portano a salti di tensione che si verificano quando cambiano i numeri quantici associati agli stati dei due anelli. In particolare, la risposta del rivelatore è determinata dai numeri quantici. Il nuovo dispositivo è quindi un perfetto rivelatore di stati quantistici.

"La nuova configurazione migliora sostanzialmente la sensibilità dello SQUID convenzionale. Di conseguenza, la portata delle possibili misurazioni di campi magnetici deboli è maggiore, " spiega Vladimir Gurtovoi.

I sistemi superconduttori coerenti sono ora oggetto di studi approfonditi. Tra l'altro, potrebbero essere usati come qubit, le unità di base delle informazioni elaborate da un computer quantistico. Il qubit è un analogo quantistico del bit classico:mentre un bit normale memorizza i dati come zeri e uno, un bit quantistico può trovarsi in una sovrapposizione di due stati, ovvero sia zero che uno allo stesso tempo. Sebbene ciò non consentirà ai computer quantistici di superare le loro controparti classiche in tutte le operazioni, probabilmente potrebbero essere estremamente efficaci in una serie di casi speciali. Questi includono la modellazione del sistema quantistico, decrittazione, e ricerca nel database. Il Laboratorio di sistemi quantistici artificiali del MIPT fa parte dello sforzo globale in corso per sviluppare la tecnologia di calcolo quantistico, incluso il design del qubit. L'interferometro a doppio contorno con uno dei loop sostituiti con un qubit può essere utilizzato per dirigere il rilevamento degli stati quantistici dei qubit.

Formula per la corrente attraverso l'interferometro:

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

Ia e Ib in questa espressione sono le correnti critiche per ciascuna delle due giunzioni Josephson. La variazione di fase della funzione d'onda su ciascuna delle giunzioni, che è determinato dalla geometria del nuovo interferometro ed è lo stesso per entrambe le giunzioni, è indicato con ϕa. Il termine di fase π(nu + nd) include i numeri quantici del momento angolare nu e nd per il ciclo superiore ("up") e inferiore ("down"), rispettivamente.

Poiché la parità del numero quantico sum nu + nd cambia quando uno dei due numeri cambia di 1, il secondo termine nell'equazione cambia segno in modo graduale. Poiché le giunzioni Josephson possono essere considerate identiche, Ia è uguale a Ib, l'intera espressione alla fine produce due valori discreti per la corrente critica:o equivale a Ia + Ib o, quando i due termini sono opposti, è uguale a zero.

Se la somma dei numeri quantici è pari, la tensione ai capi dell'interferometro è zero. In caso di somma disuguale, verrà rilevata una tensione nota e facilmente misurabile.