Métamatériau quantique supraconducteur constitué d'un réseau de 15 qubits jumeaux intégrés dans un guide d'ondes coplanaire. Une image SEM de qubits de flux jumeaux (ci-dessus) et une structure entière (ci-dessous) sont montrées. Chaque qubit se compose de deux boucles supraconductrices partageant une jonction Josephson centrale commune (jonction α) et quatre jonctions Josephson identiques situées sur les parties externes des boucles. La jonction permet au flux magnétique de passer entre les boucles. L'encart est un schéma d'un seul méta-atome - le qubit de flux double ; les phases sur les nœuds sont affichées Crédit :NUST MISIS
Une équipe internationale composée de scientifiques russes et allemands a fait une percée dans la création de matériaux apparemment impossibles. Ils ont créé le premier métamatériau quantique au monde pouvant être utilisé comme élément de contrôle dans les circuits électriques supraconducteurs.
Les métamatériaux sont des substances dont les propriétés sont déterminées par l'arrangement structurel des atomes. Chaque structure mesure des centaines de nanomètres, et possède son propre ensemble de propriétés qui disparaissent lorsque les scientifiques tentent de séparer le matériau en ses composants. Une telle structure est appelée méta-atome (à ne pas confondre avec les atomes communs du tableau périodique de Mendeleev). Toute substance constituée de méta-atomes est appelée méta-matériau.
Jusque récemment, une autre différence entre les atomes et les méta-atomes était que les propriétés des atomes conventionnels étaient décrites par des équations de la mécanique quantique, tandis que les méta-atomes étaient décrits par les équations de la physique classique. Cependant, la création de qubits a permis de construire des métamatériaux constitués de méta-atomes dont l'état pourrait être décrit de manière quantique. Cependant, cette recherche a nécessité la création de qubits inhabituels.
Une équipe internationale de scientifiques a créé le premier qubit dit « jumeau », ainsi qu'un métamatériau sur sa base. Grâce aux propriétés exceptionnelles du nouveau matériau, il sera possible de créer l'un des éléments clés des dispositifs électroniques supraconducteurs.
L'énergie de l'état fondamental (a) et l'énergie de transition hf01 du qubit jumeau calculées à partir de l'hamiltonien de l'équation. (1) (b). Les paramètres α?=?0.72 et C?=?5.2 fF et l'énergie Josephson est E J ?=?50?GHz. Ces dépendances sont Φ0 périodiques et symétriques par rapport à Φ/Φ0?=?0,5. Le point minimum du tracé (b) correspond au passage de la phase de jonction centrale φ0 de zéro à π. Crédit :NUST MISIS
Kirill Shulga, chercheur au Laboratoire des Métamatériaux supraconducteurs NUST MISIS et premier auteur du projet, a noté qu'un qubit conventionnel consiste en un schéma qui comprend trois jonctions Josephson. Le qubit jumeau, cependant, est composé de cinq jonctions symétriques par rapport à l'axe central (voir schéma).
« Les qubits jumeaux étaient censés servir de système plus complexe que les qubits supraconducteurs conventionnels. La logique ici est assez simple :un système plus complexe (artificiellement complexe), avec un grand nombre de degrés de liberté, a un plus grand nombre de facteurs qui peuvent influencer ses propriétés. Lors de la modification de certaines propriétés externes de l'environnement où se trouve notre métamatériau, nous pouvons activer et désactiver ces propriétés en faisant passer le qubit jumeau d'un état avec certaines propriétés à un autre avec d'autres propriétés, " il a dit.
Cela est devenu évident au cours de l'expérience, comme l'ensemble du métamatériau composé de qubits jumeaux commutés entre deux modes différents.
a La dépendance mesurée de l'amplitude du coefficient de transmission t (normalisé à la valeur à champ zéro) sur le champ magnétique continu appliqué (proportionnel au courant de polarisation dans la bobine, axe inférieur) et fréquence f. L'axe horizontal supérieur traduit le champ en flux magnétique par boucle unique de qubit. La transmission t affiche les changements brusques sous variation du flux magnétique . On peut voir deux gammes différentes de propagation des micro-ondes, transmission presque plate autour du champ zéro et amélioration de la résonance nette de la transmission près de 11-14 GHz à un flux magnétique Φ?~?±Φ0/2. b Une coupe transversale de a à la fréquence fixe de 13 GHz. Les pics aigus correspondent à un effet tunnel cohérent entre les états quantiques dans les qubits jumeaux (voir texte). c Une coupe transversale de a à la fréquence fixe de 10 GHz. Les sauts nets correspondent à une transition entre zéro et phase sur la jonction centrale du qubit jumeau (voir texte). La courbe rouge correspond à l'équation de dépendance théoriquement prédite. (12) Crédit :NUST MISIS
"Dans l'un des modes, la chaîne de qubits transmet très bien le rayonnement électronique dans le domaine des micro-ondes tout en restant un élément quantique. Dans un autre mode, il fait tourner la phase supraconductrice de 180 degrés et verrouille la transmission des ondes électromagnétiques à travers lui-même. Pourtant, il reste toujours un système quantique. Donc à l'aide d'un champ magnétique, un tel matériau peut être utilisé comme élément de contrôle dans des systèmes de signaux quantiques (photons séparés) dans des circuits, à partir desquels se composent les ordinateurs quantiques en développement, " dit Ilya Besedin, ingénieur au Laboratoire des Métamatériaux supraconducteurs NUST MISIS.
Il est difficile de calculer avec précision les propriétés d'un qubit jumeau sur un ordinateur standard par rapport aux propriétés d'un qubit standard. Il est possible d'atteindre la limite de complexité, un niveau proche ou supérieur aux capacités des calculateurs électroniques modernes, si les qubits deviennent plusieurs fois plus complexes. Un système aussi complexe peut être utilisé comme simulateur quantique, c'est-à-dire un dispositif qui peut prédire ou simuler les propriétés d'un certain processus ou matériau réel.
Comme le notent les chercheurs, ils ont dû trier de nombreuses théories pour décrire correctement les processus qui se produisent dans les méta-matériaux quantiques. L'article, "La transparence induite magnétiquement d'un métamatériau quantique composé de qubits de flux jumeaux, " est publié dans Communication Nature .
