Разработка квантового компьютера, способного решать задачи, которые классические компьютеры могут решить лишь с большими усилиями или вообще не могут — вот цель, которую в настоящее время преследует все большее число исследовательских групп по всему миру. Причина: квантовые эффекты, возникающие в мире мельчайших частиц и структур, открывают множество новых технологических возможностей. Так называемые сверхпроводники, позволяющие обрабатывать информацию и сигналы в соответствии с законами квантовой механики, считаются перспективными компонентами для создания квантовых компьютеров. Однако препятствием для сверхпроводящих наноструктур является то, что они функционируют только при очень низких температурах и поэтому их трудно внедрить в практическое применение.
Исследователи из Мюнстерского университета и Исследовательского центра Юлиха впервые продемонстрировали так называемое квантование энергии в нанопроводах, изготовленных из высокотемпературных сверхпроводников — то есть сверхпроводников, в которых температура повышена до уровня, ниже которого преобладают квантово-механические эффекты. В этом случае сверхпроводящий нанопровод принимает только выбранные энергетические состояния, которые могут быть использованы для кодирования информации. В высокотемпературных сверхпроводниках исследователи также впервые смогли наблюдать поглощение одиночного фотона — частицы света, которая служит для передачи информации.
«С одной стороны, наши результаты могут способствовать использованию значительно упрощенной технологии охлаждения в квантовых технологиях в будущем, а с другой стороны, они дают нам совершенно новое понимание процессов, управляющих сверхпроводящими состояниями и их динамикой, которые до сих пор остаются неизученными», — подчеркивает руководитель исследования, профессор Карстен Шук из Института физики Мюнстерского университета. Таким образом, результаты могут иметь значение для разработки новых типов компьютерных технологий. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Ученые использовали сверхпроводники, состоящие из элементов иттрия, бария, оксида меди и кислорода, или сокращенно YBCO, из которых они изготовили тонкие проволоки толщиной в несколько нанометров. Когда эти структуры проводят электрический ток, происходят физические процессы, называемые «фазовыми сдвигами». В случае нанопроволок YBCO флуктуации плотности носителей заряда вызывают изменения сверхтока. Исследователи изучали процессы в нанопроволоках при температурах ниже 20 Кельвинов, что соответствует минус 253 градусам Цельсия. В сочетании с модельными расчетами они продемонстрировали квантование энергетических состояний в нанопроволоках. Температура, при которой проволоки переходили в квантовое состояние, была определена как 12–13 Кельвинов — температура в несколько сотен раз выше, чем температура, необходимая для обычно используемых материалов. Это позволило ученым создать резонаторы, то есть колебательные системы, настроенные на определенные частоты, с гораздо большим временем жизни и поддерживать квантово-механические состояния в течение более длительного времени. Это является необходимым условием для долгосрочного развития все более крупных квантовых компьютеров.
Важными компонентами для развития квантовых технологий, а потенциально и для медицинской диагностики, являются детекторы, способные регистрировать даже одиночные фотоны. Исследовательская группа Карстена Шука в Мюнстерском университете уже несколько лет работает над разработкой таких детекторов одиночных фотонов на основе сверхпроводников. То, что уже хорошо работает при низких температурах, ученые всего мира более десяти лет пытаются реализовать с помощью высокотемпературных сверхпроводников. В нанопроволоках YBCO, использованных в исследовании, эта попытка впервые увенчалась успехом. «Наши новые результаты открывают путь к новым экспериментально проверяемым теоретическим описаниям и технологическим разработкам», — говорит соавтор Мартин Вольф из исследовательской группы Шука.
Можете быть уверены, наши редакторы внимательно отслеживают каждый полученный отзыв и принимают соответствующие меры. Ваше мнение важно для нас.
Ваш адрес электронной почты используется только для того, чтобы получатель знал, кто отправил письмо. Ни ваш адрес, ни адрес получателя не будут использоваться для каких-либо других целей. Введенная вами информация будет отображаться в вашем электронном письме и не сохраняется Phys.org ни в какой форме.
Получайте еженедельные и/или ежедневные обновления на свою электронную почту. Вы можете отписаться в любое время, и мы никогда не будем передавать ваши данные третьим лицам.
Этот сайт использует файлы cookie для облегчения навигации, анализа использования вами наших услуг и предоставления контента от третьих лиц. Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику конфиденциальности и Условия использования.
Дата публикации: 07.04.2020