科學突破–研究人員開發出世界上第一個量子超材料

由雙通量量子位構成的量子超材料。由嵌入共面波導中的15個雙量子位陣列組成的超導量子超材料。顯示了雙通量量子位的SEM圖像（上方）和整個結構（下方）。每個量子位由兩個超導環路組成，它們共享一個公共的中心約瑟夫森結（α結）和位於環路外部的四個相同的約瑟夫森結。的 α -結允許磁通環之間的隧道。插圖是單個亞原子的示意圖-雙通量量子位；顯示了節點上的階段。

由俄羅斯和德國科學家組成的國際團隊在創建看似不可能的材料方面取得了突破。他們成功地創造了世界上第一個可用作超導電路控制元素的量子超材料。

超材料是一種物質，其性質與其所組成的原子無關，而取決於原子的結構排列。每個結構都有數百納米，並且具有自己的一組特性，當科學家嘗試將材料分離為其組成部分時，這些特性會消失。這就是為什麼這種結構稱為亞原子的原因（不要與門捷列夫周期表中的常見原子相混淆）。任何由超原子組成的物質都稱為超材料。

直到最近，原子和超原子之間的另一個區別是，常規原子的性質是由量子力學方程式描述的，而超原子是由經典物理學方程式描述的。然而，量子位的產生導致了潛在的機會來構造由超原子組成的超材料，超原子的狀態可以用量子力學來描述。但是，這項研究要求創建不尋常的量子位。

「由NUST MISIS，德國卡爾斯魯厄理工學院和IPHT Jena（德國）組成的國際科學家團隊由NUST MISIS超導超材料實驗室負責人Alexey Ustinov教授領導，創造了世界上第一個稱為「孿生」量子位，以及基於它的超材料。由於這種新材料的卓越性能，將有可能創造出超導電子設備中的關鍵元素之一。」 NUST MISIS負責人Alevtina Chernikova說。

雙量子位躍遷頻率的磁場依賴性。 從等式的哈密頓量計算出的基態能量（a）和雙量子位的躍遷能量 hf 01。（1）（b）。參數 α  = 0.72和 C  = 5.2 fF，約瑟夫森能量為 E J  = 50 GHz。這些依賴關係是 Φ 0 周期和對稱相對於 Φ / Φ 0  = 0.5。的（最小點b）曲線圖對應於中央結相的轉變 φ 0 從零到 π。

NUST MISIS超導超材料實驗室的研究員，該項目的第一作者Kirill Shulga指出，傳統的量子位由包含三個約瑟夫森結的方案組成。但是，雙量子位由相對於中心軸對稱的五個結組成。

「雙量子比特被認為比傳統的超導量子比特更複雜。這裡的邏輯非常簡單：具有大量自由度的更複雜的（人為複雜的）系統具有更多影響其性能的因素。當更改超材料所處環境的某些外部屬性時，我們可以通過將雙量子位從具有特定屬性的一種狀態轉換為具有其他屬性的另一種狀態來打開和關閉這些屬性。」

在整個實驗過程中，由雙量子位組成的整個超材料在兩種不同模式之間切換時，這一點變得顯而易見。

微波通過不同形式的量子超材料的傳輸。 a 測得的傳輸係數t的幅值 （歸一化為零場的值）對施加的直流磁場（與線圈中的偏置電流，下軸成比例）和頻率 f的依賴性 。上水平軸將磁場以 每個qubit單環的磁通量Φ轉換 。透射 t 在磁通Φ的變化下顯示出急劇的變化 。可以看到兩種不同的微波傳播範圍，零場附近的傳輸幾乎平坦，磁通量Φ〜  ±時，在11–14 GHz附近的傳輸具有明顯的共振增強。 Φ 0 /2。 b 的交叉切割 一個 在13千兆赫的固定頻率。尖峰對應於兩個量子位中量子態之間的相干隧穿（參見文本）。 Ç 交叉切割的 一 在10GHz的固定頻率。急劇的跳躍對應於 雙量子位的中心結在零和π相之間的過渡 （見文本）。紅色曲線與理論預測的依賴關係式擬合。（12）

「在一種模式中，量子位鏈很好地傳輸了微波範圍內的電子輻射，同時保留了量子元素。」 在另一種模式下，它將超導相位旋轉180度並鎖定電磁波通過自身的傳輸。然而，它仍然是一個量子系統。因此，藉助磁場，這種材料可用作電路中的量子信號（分離的光子）系統中的控制元素，由正在開發的量子計算機組成。」 NUST MISIS的工程師Ilya Besedin說超導超材料實驗室和該項目的研究人員之一。

與標準量子位的性質相比，很難在標準計算機上準確計算一個孿生量子位的性質。如果量子位變得複雜幾倍，則有可能達到複雜性的極限，接近或超過現代電子計算機的能力。這種複雜的系統可以用作量子模擬器，即可以預測或模擬某些實際過程或材料的屬性的設備。

正如研究人員指出的那樣，他們必須整理出許多理論來正確描述量子超材料中發生的過程。該研究的結果是「由雙通量量子位組成的量子超材料的磁感應透明性」一文，並發表在《自然通訊》上。