Metamateriale quantistico superconduttore costituito da una matrice di 15 qubit gemelli incorporati in una guida d'onda complanare. Sono mostrate un'immagine SEM di qubit a doppio flusso (sopra) e un'intera struttura (sotto). Ogni qubit è costituito da due anelli superconduttori che condividono una giunzione Josephson centrale comune (giunzione α) e quattro giunzioni Josephson identiche situate sulle parti esterne degli anelli. La giunzione α consente al flusso magnetico di passare tra le spire. L'inserto è uno schema di un singolo meta-atomo:il doppio flusso qubit; sono mostrate le fasi sui nodi Credit:NUST MISIS
Un team internazionale composto da scienziati russi e tedeschi ha fatto un passo avanti nella creazione di materiali apparentemente impossibili. Hanno creato il primo metamateriale quantistico al mondo che può essere utilizzato come elemento di controllo nei circuiti elettrici superconduttori.
I metamateriali sono sostanze le cui proprietà sono determinate dalla disposizione strutturale degli atomi. Ogni struttura è centinaia di nanometri, e ha un proprio insieme di proprietà che scompaiono quando gli scienziati cercano di separare il materiale nei suoi componenti. Tale struttura è chiamata meta-atomo (da non confondere con gli atomi comuni della tavola periodica di Mendeleev). Qualsiasi sostanza costituita da meta-atomi è chiamata meta-materiale.
Fino a poco tempo fa, un'altra differenza tra atomi e meta-atomi era che le proprietà degli atomi convenzionali erano descritte da equazioni della meccanica quantistica, mentre i meta-atomi sono stati descritti dalle equazioni fisiche classiche. Però, la creazione di qubit ha portato all'opportunità di costruire metamateriali costituiti da meta-atomi il cui stato potrebbe essere descritto in modo quantistico. Però, questa ricerca ha richiesto la creazione di qubit insoliti.
Un team internazionale di scienziati ha creato il primo cosiddetto qubit "gemello" al mondo, così come un metamateriale sulla sua base. Grazie alle eccezionali proprietà del nuovo materiale, sarà possibile creare uno degli elementi chiave nei dispositivi elettronici superconduttori.
L'energia dello stato fondamentale (a) e l'energia di transizione hf01 del qubit gemello calcolate dall'Hamiltoniana dell'Eq. (1) (b). I parametri α?=?0.72 e C?=?5.2 fF e l'energia di Josephson è E J?=?50?GHz. Queste dipendenze sono Φ0 periodiche e simmetriche rispetto a Φ/Φ0?=?0.5. Il punto di minimo del grafico (b) corrisponde alla transizione della fase di giunzione centrale φ0 da zero a π. Credito:NUST MISIS
Kirill Shulga, ricercatore presso il NUST MISIS Laboratory of Superconducting Metamaterials e primo autore del progetto, ha notato che un qubit convenzionale consiste in uno schema che include tre giunzioni Josephson. Il qubit gemello, però, è composto da cinque giunzioni simmetriche rispetto all'asse centrale (vedi schema).
"Si supponeva che i qubit gemelli fungessero da sistema più complesso rispetto ai qubit superconduttori convenzionali. La logica qui è abbastanza semplice:un sistema più complesso (artificialmente complesso), con un gran numero di gradi di libertà, ha un numero maggiore di fattori che possono influenzare le sue proprietà. Quando si modificano alcune proprietà esterne dell'ambiente in cui si trova il nostro metamateriale, possiamo attivare e disattivare queste proprietà spostando il qubit gemello da uno stato con determinate proprietà a un altro con altre proprietà, " Egli ha detto.
Ciò è apparso evidente durante l'esperimento, come l'intero metamateriale costituito da qubit gemelli commutati tra due diverse modalità.
a La dipendenza misurata dell'ampiezza del coefficiente di trasmissione t (normalizzato al valore a campo zero) dal campo magnetico cc applicato (proporzionale alla corrente di polarizzazione nella bobina, asse inferiore) e frequenza f. L'asse orizzontale superiore traduce il campo in flusso magnetico per qubit singolo loop. La trasmissione t visualizza le brusche variazioni al variare del flusso magnetico . Si possono vedere due diverse gamme di propagazione delle microonde, trasmissione quasi piatta intorno allo zero campo e forte miglioramento risonante della trasmissione vicino a 11-14?GHz a flusso magnetico Φ?~?±Φ0/2. b Un taglio incrociato di a alla frequenza fissa di 13?GHz. I picchi acuti corrispondono al tunneling coerente tra gli stati quantistici nei qubit gemelli (vedi testo). c Un cross-cut di a alla frequenza fissa di 10?GHz. I salti acuti corrispondono a una transizione tra la fase zero e la fase sulla giunzione centrale del qubit gemello (vedi testo). La curva rossa è un adattamento alla dipendenza teoricamente prevista Eq. (12) Credito:NUST MISIS
"In una delle modalità, la catena di qubit trasmette molto bene la radiazione elettronica nella gamma delle microonde pur rimanendo un elemento quantistico. In un'altra modalità, ruota la fase superconduttiva di 180 gradi e blocca la trasmissione delle onde elettromagnetiche attraverso se stessa. Eppure rimane ancora un sistema quantistico. Quindi, con l'aiuto di un campo magnetico, tale materiale può essere utilizzato come elemento di controllo in sistemi per segnali quantistici (fotoni separati) in circuiti, da cui sono costituiti i computer quantistici in via di sviluppo, " disse Ilya Besedin, un ingegnere presso il NUST MISIS Laboratory of Superconducting Metamaterials.
È difficile calcolare con precisione le proprietà di un qubit gemello su un computer standard rispetto alle proprietà di un qubit standard. È possibile raggiungere il limite della complessità, un livello vicino o superiore alle capacità dei moderni computer elettronici, se i qubit diventano molte volte più complessi. Un sistema così complesso può essere utilizzato come simulatore quantistico, cioè un dispositivo in grado di prevedere o simulare le proprietà di un determinato processo o materiale reale.
Come notano i ricercatori, hanno dovuto mettere insieme molte teorie per descrivere correttamente i processi che si verificano nei metamateriali quantistici. L'articolo, "La trasparenza indotta magneticamente di un metamateriale quantistico composto da qubit di flusso gemelli, " è pubblicato in Comunicazioni sulla natura .
