Les caractéristiques électrophysiques du détecteur ont été testées sur une station de sonde. Crédit :Evgeniy Pelevin/MIPT
Des physiciens du MIPT se sont associés à leurs collègues de Russie et de Grande-Bretagne et ont développé un détecteur d'état quantique supraconducteur. Le nouvel appareil peut détecter les champs magnétiques à basse température et est utile à la fois aux chercheurs et aux ingénieurs en informatique quantique.
Les chercheurs, qui viennent du MIPT, l'Institut de microélectronique et des matériaux de haute pureté de l'Académie des sciences de Russie, et Royal Holloway, Université de Londres, décrit le nouvel appareil dans Lettres nano . Le détecteur est constitué de deux boucles supraconductrices en aluminium couplées par des jonctions Josephson. Une différence de phase entre les fonctions d'onde sur les segments de boucle fait que le courant critique dans le dispositif passe de zéro au maximum et revient à zéro de manière progressive avec le changement des nombres quantiques dans chacune des boucles. Les deux boucles sont placées l'une sur l'autre sur une puce plate. Surtout, ils sont couplés par des jonctions Josephson.
La notion de fonction d'onde fait référence à une manière de décrire les objets quantiques, y compris les particules individuelles et les systèmes plus complexes. Une fonction d'onde attribue une valeur appelée amplitude de probabilité à tous les points de l'espace. Les termes « onde » et « amplitude » impliquent que les objets décrits par les fonctions d'onde se comportent un peu comme des ondes. En réalité, il est même possible de parler de phase d'une fonction d'onde. En mécanique quantique, la fonction d'onde est un concept central et la principale caractéristique d'un objet. Une jonction Josephson est un dispositif composé de deux supraconducteurs séparés par une couche de 1 à 2 nanomètres de matériau diélectrique.
Vladimir Gurtovoi, chercheur principal au Laboratoire des systèmes quantiques artificiels du MIPT et l'un des auteurs de l'article, a commenté les résultats :« Notre technologie est remarquablement simple :nous utilisons un matériau assez typique pour la recherche en supraconductivité et les techniques de fabrication standard telles que la lithographie par faisceau d'électrons et le dépôt sous vide poussé d'aluminium. le résultat final est un système qui n'a jamais été étudié auparavant."
Les chercheurs ont refroidi l'appareil à 0,6 kelvins, en dessous de la température de transition supraconductrice de l'aluminium, et appliqué un courant de polarisation. Dans un champ magnétique variable, les physiciens ont observé des sauts de tension périodiques correspondant aux changements d'états quantiques des boucles supraconductrices du détecteur. La tension oscille avec la période correspondant au quantum de flux pénétrant dans le détecteur. Un quantum de flux est la quantité minimale par laquelle un flux magnétique traversant un contour supraconducteur peut changer.
Chercheur senior Vladimir Gurtovoi, qui a co-écrit l'article, au laboratoire. Crédit :Evgeniy Pelevin/MIPT
Le dispositif expérimental est une variante du dispositif d'interférence quantique supraconducteur traditionnel, ou SQUID. Cependant, les auteurs ont utilisé une configuration géométrique non conventionnelle de supraconducteurs.
En procédant à une analyse théorique du fonctionnement de l'appareil, les chercheurs ont montré (voir l'annexe) que le courant supraconducteur à travers les deux jonctions Josephson dans le nouvel interféromètre est égal à la somme des courants individuels à travers chacune des jonctions avec quelques corrections de phase, ce qui conduit à des sauts de tension se produisant lorsque les nombres quantiques associés aux états des deux boucles changent. Notamment, la réponse du détecteur est déterminée par les nombres quantiques. Le nouveau dispositif est donc un parfait détecteur d'état quantique.
"La nouvelle configuration améliore considérablement la sensibilité du SQUID conventionnel. En conséquence, la portée des mesures possibles de champ magnétique faible est plus grande, " explique Vladimir Gurtovoi.
Les systèmes supraconducteurs cohérents font maintenant l'objet d'études approfondies. Entre autres, ils pourraient être utilisés comme qubits, les unités d'information de base traitées par un ordinateur quantique. Le qubit est un analogue quantique du bit classique :alors qu'un bit normal stocke les données sous forme de zéros et de uns, un bit quantique peut être dans une superposition de deux états, c'est-à-dire zéro et un à la fois. Bien que cela ne permette pas aux ordinateurs quantiques de surpasser leurs homologues classiques dans toutes les opérations, ils pourraient probablement être extrêmement efficaces dans un certain nombre de cas particuliers. Il s'agit notamment de la modélisation du système quantique, décryptage, et recherche de bases de données. Le laboratoire des systèmes quantiques artificiels du MIPT fait partie de l'effort mondial en cours pour développer la technologie de l'informatique quantique, y compris la conception de qubit. L'interféromètre à double contour avec une des boucles remplacée par un qubit peut être utilisé pour diriger la détection d'états quantiques de qubit.
Le schéma de gauche montre deux boucles supraconductrices couplées par deux jonctions Josephson. Les courants circulant dans les jonctions Josephson a et b sont représentés par Ja sin(ϕa) et Jb sin(ϕb), respectivement, où est la phase de la fonction d'onde — une valeur quantique caractérisant le système dans son ensemble. A droite se trouve une image en fausses couleurs du système expérimental. Image reproduite avec l'aimable autorisation des auteurs de la recherche. Crédit :10.1021/acs.nanolett.7b01602
Formule du courant traversant l'interféromètre :
Is =Iasin(ϕa) + Ibsin(ϕa + π(nu + nd))
Les Ia et Ib dans cette expression sont les courants critiques pour chacune des deux jonctions Josephson. Le changement de phase de la fonction d'onde sur chacune des jonctions, qui est déterminé par la géométrie du nouvel interféromètre et est le même pour les deux jonctions, est noté a. Le terme de phase (nu + nd) comprend les nombres quantiques de moment angulaire nu et nd pour la boucle supérieure ("up") et inférieure ("down"), respectivement.
Parce que la parité de la somme des nombres quantiques nu + nd change lorsque l'un des deux nombres change de 1, le deuxième terme de l'équation change de signe de manière progressive. Étant donné que les jonctions Josephson peuvent être considérées comme identiques, Ia est égal à Ib, l'ensemble de l'expression produit finalement deux valeurs discrètes pour le courant critique :il s'élève soit à Ia + Ib, soit, lorsque les deux termes sont opposés, à zéro.
Si la somme des nombres quantiques est paire, la tension aux bornes de l'interféromètre est nulle. En cas de montant impair, une tension connue et facilement mesurable sera détectée.
