Разработка квантового компьютера, способного решать задачи, которые классические компьютеры могут решить только 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, которые берут начало в мире мельчайших частиц и структур, открывают множество новых технологических приложений. Так называемые сверхпроводники, которые позволяют обрабатывать информацию и сигналы в соответствии с законами квантовой механики, считаются перспективными компонентами для реализации квантовых компьютеров. Однако камнем преткновения сверхпроводящих наноструктур является то, что они функционируют только при очень низких температурах и поэтому их трудно внедрить в практическое применение. googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Исследователи из Университета Мюнстера и Исследовательского центра Юлиха впервые продемонстрировали то, что известно как квантование энергии в нанопроводах, изготовленных из высокотемпературных сверхпроводников, т. е. сверхпроводников, в которых температура повышается, ниже которой преобладают квантово-механические эффекты. Сверхпроводящая нанопровода затем принимает только выбранные энергетические состояния, которые могут быть использованы для кодирования информации. В высокотемпературных сверхпроводниках исследователи также смогли впервые наблюдать поглощение одного фотона, световой частицы, 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 предлагают нам совершенно новое понимание процессов, управляющих сверхпроводящими состояниями и их динамикой, которые до сих пор не поняты», — подчеркивает руководитель исследования младший профессор Карстен Шук из Института физики Мюнстерского университета. Поэтому результаты могут быть актуальны для разработки новых типов компьютерных технологий. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Ученые использовали сверхпроводники, изготовленные из элементов иттрия, бария, оксида меди и кислорода, или сокращенно YBCO, из которых они изготовили несколько тонких нанометровых проводов. Когда эти структуры проводят электрический ток, происходит физическая динамика, называемая «фазовыми проскальзываниями». В случае нанопроводов YBCO колебания плотности носителей заряда вызывают изменения сверхтока. Исследователи исследовали процессы в нанопроводах при температурах ниже 20 Кельвинов, что соответствует минус 253 градусам Цельсия. В сочетании с модельными расчетами они продемонстрировали квантование энергетических состояний в нанопроводах. Температура, при которой провода входили в квантовое состояние, была обнаружена на уровне 12–13 Кельвинов — температура в несколько сотен раз выше температуры, необходимой для обычно используемых материалов. Это позволило ученым создать резонаторы, то есть колебательные системы, настроенные на определенные частоты, с гораздо более длительным сроком службы и дольше сохранять квантово-механические состояния. Это является предпосылкой для долгосрочной разработки все более крупных квантовых компьютеров.
Еще одним важным компонентом для развития квантовых технологий, а потенциально и для медицинской диагностики, являются детекторы, которые могут регистрировать даже отдельные фотоны. Исследовательская группа Карстена Шука в Мюнстерском университете уже несколько лет работает над разработкой таких детекторов отдельных фотонов на основе сверхпроводников. То, что уже хорошо работает при низких температурах, ученые во всем мире пытаются достичь с помощью высокотемпературных сверхпроводников уже более десятилетия. В нанопроводах YBCO, используемых для исследования, эта попытка впервые увенчалась успехом. «Наши новые открытия прокладывают путь для новых экспериментально проверяемых теоретических описаний и технологических разработок», — говорит соавтор Мартин Вольф из исследовательской группы Шука.
Вы можете быть уверены, что наши редакторы внимательно отслеживают каждый отправленный отзыв и примут соответствующие меры. Ваше мнение важно для нас.
Ваш адрес электронной почты используется только для того, чтобы сообщить получателю, кто отправил электронное письмо. Ни ваш адрес, ни адрес получателя не будут использоваться для каких-либо других целей. Введенная вами информация будет отображаться в вашем сообщении электронной почты и не будет сохранена Phys.org ни в какой форме.
Получайте еженедельные и/или ежедневные обновления на свой почтовый ящик. Вы можете отписаться в любое время, и мы никогда не передадим ваши данные третьим лицам.
Этот сайт использует файлы cookie для помощи в навигации, анализа вашего использования наших услуг и предоставления контента от третьих лиц. Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику конфиденциальности и Условия использования.
Время публикации: 07.04.2020