Metamaterial cuántico superconductor que consiste en una matriz de 15 qubits gemelos incrustados en una guía de ondas coplanar. Se muestra una imagen SEM de qubits de flujo gemelo (arriba) y una estructura completa (abajo). Cada qubit consta de dos bucles superconductores que comparten una unión Josephson central común (unión α) y cuatro uniones Josephson idénticas ubicadas en las partes exteriores de los bucles. La unión α permite que el flujo magnético haga un túnel entre los bucles. El recuadro es un esquema de un solo metaátomo:el qubit de flujo gemelo; se muestran las fases en los nodos Crédito:NUST MISIS
Un equipo internacional formado por científicos rusos y alemanes ha logrado un gran avance en la creación de materiales aparentemente imposibles. Han creado el primer metamaterial cuántico del mundo que se puede utilizar como elemento de control en circuitos eléctricos superconductores.
Los metamateriales son sustancias cuyas propiedades están determinadas por la disposición estructural de los átomos. Cada estructura tiene cientos de nanómetros, y tiene su propio conjunto de propiedades que desaparecen cuando los científicos intentan separar el material en sus componentes. Esta estructura se llama metaátomo (que no debe confundirse con los átomos comunes de la tabla periódica de Mendeleev). Cualquier sustancia que consta de metaátomos se denomina metamaterial.
Hasta hace poco, Otra diferencia entre átomos y metaátomos era que las propiedades de los átomos convencionales se describían mediante ecuaciones de mecánica cuántica, mientras que los metaátomos fueron descritos por ecuaciones físicas clásicas. Sin embargo, la creación de qubits dio lugar a la oportunidad de construir metamateriales formados por metaátomos cuyo estado podría describirse mecánicamente cuánticamente. Sin embargo, esta investigación requirió la creación de qubits inusuales.
Un equipo internacional de científicos ha creado el primer qubit "gemelo" del mundo, así como un metamaterial sobre su base. Gracias a las excelentes propiedades del nuevo material, será posible crear uno de los elementos clave en los dispositivos electrónicos superconductores.
La energía del estado fundamental (a) y la energía de transición hf01 del qubit gemelo calculada a partir del hamiltoniano de la ecuación. (1) (b). Los parámetros α? =? 0,72 y C? =? 5,2 fF y la energía de Josephson es E J? =? 50? GHz. Estas dependencias son Φ0 periódicas y simétricas con respecto a Φ / Φ0? =? 0,5. El punto mínimo de la gráfica (b) corresponde a la transición de la fase de unión central φ0 de cero a π. Crédito:NUST MISIS
Kirill Shulga, investigador del Laboratorio de Metamateriales Superconductores NUST MISIS y primer autor del proyecto, señaló que un qubit convencional consiste en un esquema que incluye tres uniones Josephson. El qubit gemelo, sin embargo, está compuesto por cinco uniones simétricas al eje central (ver diagrama).
"Se suponía que los qubits gemelos servirían como un sistema más complejo que los qubits superconductores convencionales. La lógica aquí es bastante simple:un sistema más complejo (artificialmente complejo), con una gran cantidad de grados de libertad, tiene un mayor número de factores que pueden influir en sus propiedades. Al cambiar algunas propiedades externas del entorno donde se encuentra nuestro metamaterial, podemos activar y desactivar estas propiedades cambiando el qubit gemelo de un estado con ciertas propiedades a otro con otras propiedades, " él dijo.
Esto se hizo evidente durante el experimento, como el metamaterial completo que consta de qubits gemelos conmutados entre dos modos diferentes.
a La dependencia medida de la amplitud del coeficiente de transmisión t (normalizado al valor en el campo cero) en el campo magnético de CC aplicado (proporcional a la corriente de polarización en la bobina, eje inferior) y frecuencia f. El eje horizontal superior traduce el campo en flujo magnético Φ por qubit de bucle único. La transmisión t muestra los cambios bruscos bajo la variación del flujo magnético Φ. Se pueden ver dos rangos diferentes de propagación de microondas, transmisión casi plana alrededor de campo cero y mejora resonante aguda de la transmisión cerca de 11-14? GHz con flujo magnético Φ? ~? ± Φ0 / 2. b Un corte transversal de a a la frecuencia fija de 13? GHz. Los picos agudos corresponden a un túnel coherente entre estados cuánticos en los qubits gemelos (ver texto). c Un corte transversal de a a la frecuencia fija de 10? GHz. Los saltos bruscos corresponden a una transición entre la fase cero y π en la unión central del qubit gemelo (ver texto). La curva roja es un ajuste a la Eq de dependencia predicha teóricamente. (12) Crédito:NUST MISIS
"En uno de los modos, la cadena de qubits transmite muy bien la radiación electrónica en el rango de microondas sin dejar de ser un elemento cuántico. En otro modo, gira la fase superconductora 180 grados y bloquea la transmisión de ondas electromagnéticas a través de sí mismo. Sin embargo, sigue siendo un sistema cuántico. Entonces, con la ayuda de un campo magnético, dicho material se puede utilizar como elemento de control en sistemas para señales cuánticas (fotones separados) en circuitos, de los cuales consisten en el desarrollo de computadoras cuánticas, "dijo Ilya Besedin, ingeniero del Laboratorio de Metamateriales Superconductores de NUST MISIS.
Es difícil calcular con precisión las propiedades de un qubit gemelo en una computadora estándar en comparación con las propiedades de un qubit estándar. Es posible llegar al límite de la complejidad, un nivel cercano o superior a las capacidades de las computadoras electrónicas modernas, si los qubits se vuelven varias veces más complejos. Un sistema tan complejo se puede utilizar como simulador cuántico, es decir, un dispositivo que puede predecir o simular propiedades de un determinado proceso o material real.
Como señalan los investigadores, tuvieron que resolver muchas teorías para describir correctamente los procesos que ocurren en los metamateriales cuánticos. El artículo, "La transparencia inducida magnéticamente de un metamaterial cuántico compuesto de qubits de flujo gemelo, "se publica en Comunicaciones de la naturaleza .
