Los físicos de MIPT se han asociado con sus colegas en Rusia y Gran Bretaña y han desarrollado un detector de estado cuántico superconductor. El nuevo dispositivo puede detectar campos magnéticos a bajas temperaturas y es útil tanto para investigadores como para ingenieros informáticos cuánticos.

Los investigadores, que vienen de MIPT, el Instituto de Microelectrónica y Materiales de Alta Pureza de la Academia de Ciencias de Rusia, y Royal Holloway, Universidad de londres, describió el nuevo dispositivo en Nano letras . El detector consta de dos bucles de aluminio superconductores acoplados por uniones Josephson. Una diferencia de fase entre las funciones de onda en los segmentos de bucle hace que la corriente crítica en el dispositivo cambie de cero al máximo y vuelva a cero de manera escalonada con el cambio de los números cuánticos en cada uno de los bucles. Los dos bucles se colocan uno encima del otro en un chip plano. En tono rimbombante, están acoplados por uniones Josephson.

La noción de función de onda se refiere a una forma de describir objetos cuánticos, incluyendo partículas individuales y sistemas más complejos. Una función de onda asigna un valor llamado amplitud de probabilidad a todos los puntos en el espacio. Los términos "onda" y "amplitud" implican que los objetos descritos por las funciones de onda se comportan de manera muy parecida a las ondas. De hecho, incluso es posible hablar de la fase de una función de onda. En mecánica cuántica, la función de onda es un concepto central y la característica principal de un objeto. Una unión de Josephson es un dispositivo hecho de dos superconductores separados por una capa de 1-2 nanómetros de material dieléctrico.

Vladimir Gurtovoi, un científico investigador senior en el Laboratorio de Sistemas Cuánticos Artificiales del MIPT y uno de los autores del artículo, comentó sobre los resultados:"Nuestra tecnología es notablemente simple:utilizamos un material que es bastante típico para la investigación de superconductividad y técnicas de fabricación estándar como la litografía por haz de electrones y la deposición de aluminio en alto vacío. Sin embargo, el resultado final es un sistema que no se ha estudiado antes ".

Los investigadores enfriaron el dispositivo a 0,6 kelvin, por debajo de la temperatura de la transición superconductora del aluminio, y aplicó una corriente de polarización. En un campo magnético variable, los físicos observaron saltos de voltaje periódicos correspondientes a los cambios en los estados cuánticos de los bucles superconductores del detector. El voltaje oscila con el período correspondiente al cuanto de flujo que penetra en el detector. Un cuanto de flujo es la cantidad mínima por la cual un flujo magnético que enhebra un contorno superconductor puede cambiar.

La configuración experimental es una variación del dispositivo de interferencia cuántica superconductora tradicional, o CALAMAR. Sin embargo, los autores emplearon una configuración geométrica poco convencional de superconductores.

Al realizar un análisis teórico del funcionamiento del dispositivo, los investigadores demostraron (ver el apéndice) que la corriente superconductora a través de las dos uniones de Josephson en el nuevo interferómetro es igual a la suma de las corrientes individuales a través de cada una de las uniones con algunas correcciones de fase, que conducen a saltos de voltaje que ocurren cuando cambian los números cuánticos asociados con los estados de los dos bucles. Notablemente, La respuesta del detector está determinada por los números cuánticos. Por tanto, el nuevo dispositivo es un detector de estado cuántico perfecto.

"La nueva configuración mejora sustancialmente la sensibilidad del SQUID convencional. Como resultado, el alcance de las posibles mediciones de campos magnéticos débiles es mayor, "explica Vladimir Gurtovoi.

Los sistemas superconductores coherentes ahora se investigan intensamente. Entre otras cosas, podrían usarse como qubits, las unidades básicas de información procesadas por una computadora cuántica. El qubit es un análogo cuántico del bit clásico:mientras que un bit normal almacena datos como ceros y unos, un bit cuántico puede estar en una superposición de dos estados, es decir, ambos cero y uno al mismo tiempo. Aunque esto no permitirá que las computadoras cuánticas superen a sus contrapartes clásicas en todas las operaciones, probablemente podrían ser extremadamente eficaces en varios casos especiales. Estos incluyen el modelado de sistemas cuánticos, descifrado y búsqueda en bases de datos. El Laboratorio de Sistemas Cuánticos Artificiales de MIPT es parte del esfuerzo global continuo para desarrollar tecnología de computación cuántica, incluido el diseño de qubit. El interferómetro de doble contorno con uno de los bucles reemplazado por un qubit puede usarse para dirigir la detección de estados cuánticos de qubit.

Fórmula para la corriente a través del interferómetro:

Es =Iasin (ϕa) + Ibsin (ϕa + π (nu + nd))

Ia e Ib en esta expresión son las corrientes críticas para cada uno de los dos cruces de Josephson. El cambio en la fase de la función de onda en cada una de las uniones, que está determinada por la geometría del nuevo interferómetro y es la misma para ambas uniones, se denota por ϕa. El término de fase π (nu + nd) incluye los números cuánticos de momento angular nu y nd para el bucle superior ("arriba") e inferior ("abajo"), respectivamente.

Debido a que la paridad del número cuántico suma nu + nd cambia cuando uno de los dos números cambia en 1, el segundo término de la ecuación cambia su signo de manera escalonada. Dado que las uniones de Josephson pueden considerarse idénticas, Ia es igual a Ib, la expresión completa finalmente produce dos valores discretos para la corriente crítica:o equivale a Ia + Ib o, cuando los dos términos son opuestos, es igual a cero.

Si la suma del número cuántico es par, el voltaje a través del interferómetro es cero. En el caso de una suma desigual, Se detectará un voltaje conocido y fácilmente medible.