Lo sviluppo di un computer quantistico in grado di risolvere problemi, che i computer classici possono risolvere solo con grande sforzo o per niente:questo è l'obiettivo attualmente perseguito da un numero sempre crescente di gruppi di ricerca in tutto il mondo. Il motivo:effetti quantistici, che provengono dal mondo delle particelle e delle strutture più piccole, consentire molte nuove applicazioni tecnologiche. I cosiddetti superconduttori, che consentono di elaborare informazioni e segnali secondo le leggi della meccanica quantistica, sono considerati componenti promettenti per la realizzazione di computer quantistici. Un punto critico delle nanostrutture superconduttrici, però, è che funzionano solo a temperature molto basse e sono quindi difficili da portare in applicazioni pratiche.

I ricercatori dell'Università di Münster e del Forschungszentrum Jülich ora, per la prima volta, ha dimostrato la cosiddetta quantizzazione dell'energia nei nanofili fatti di superconduttori ad alta temperatura:i. e. superconduttori, in cui la temperatura è elevata al di sotto della quale predominano gli effetti della meccanica quantistica. Il nanofilo superconduttore assume quindi solo stati energetici selezionati che potrebbero essere utilizzati per codificare le informazioni. Nei superconduttori ad alta temperatura, i ricercatori hanno anche potuto osservare per la prima volta l'assorbimento di un singolo fotone, una particella leggera che serve a trasmettere informazioni.

"Da una parte, i nostri risultati possono contribuire in futuro all'uso di una tecnologia di raffreddamento notevolmente semplificata nelle tecnologie quantistiche, e d'altra parte, ci offrono intuizioni completamente nuove sui processi che governano gli stati superconduttori e le loro dinamiche, che ancora non si sono capiti, " sottolinea il leader dello studio Jun. Prof. Carsten Schuck dell'Istituto di Fisica dell'Università di Münster. I risultati potrebbero quindi essere rilevanti per lo sviluppo di nuovi tipi di tecnologia informatica. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Contesto e metodi:

Gli scienziati hanno usato superconduttori fatti degli elementi ittrio, bario, ossido di rame e ossigeno, o YBCO in breve, da cui hanno fabbricato alcuni fili sottili di nanometri. Quando queste strutture conducono corrente elettrica si verificano dinamiche fisiche chiamate "scorrimenti di fase". Nel caso dei nanofili YBCO, le fluttuazioni della densità dei portatori di carica causano variazioni nella supercorrente. I ricercatori hanno studiato i processi nei nanofili a temperature inferiori a 20 Kelvin, che corrisponde a meno 253 gradi Celsius. In combinazione con i calcoli del modello, hanno dimostrato una quantizzazione degli stati energetici nei nanofili. La temperatura alla quale i fili sono entrati nello stato quantico è stata trovata tra 12 e 13 Kelvin, una temperatura diverse centinaia di volte superiore alla temperatura richiesta per i materiali normalmente utilizzati. Ciò ha permesso agli scienziati di produrre risonatori, cioè sistemi oscillanti sintonizzati su frequenze specifiche, con tempi di vita molto più lunghi e per mantenere più a lungo gli stati della meccanica quantistica. Questo è un prerequisito per lo sviluppo a lungo termine di computer quantistici sempre più grandi.

Assorbimento di un singolo fotone in superconduttori ad alta temperatura

Ulteriori importanti componenti per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche, ma potenzialmente anche per la diagnostica medica, sono rivelatori in grado di registrare anche singoli fotoni. Il gruppo di ricerca di Carsten Schuck presso l'Università di Münster ha lavorato per diversi anni allo sviluppo di tali rivelatori a fotone singolo basati su superconduttori. Ciò che già funziona bene a basse temperature, scienziati di tutto il mondo hanno cercato di ottenere risultati con superconduttori ad alta temperatura per più di un decennio. Nei nanofili YBCO utilizzati per lo studio, questo tentativo è ora riuscito per la prima volta. "Le nostre nuove scoperte aprono la strada a nuove descrizioni teoriche verificabili sperimentalmente e sviluppi tecnologici, ", afferma il coautore Martin Wolff del gruppo di ricerca Schuck.