Un gruppo internazionale di ricercatori russi e tedeschi ha fatto una svolta nella creazione di materiali con proprietà irraggiungibili in natura. Scienziati dell'Università nazionale di ricerca tecnologica "MISIS", dell'Università di Karlsruhe (Germania) e dell'Istituto di tecnologie fotoniche di Jena (Germania), sotto la guida del laboratorio "Metamateriali superconduttori" del NUST "MISIS" Professor Alexei Ustinov, hanno creato i primi qubit cosiddetti "specchio" al mondo, nonché metamateriale basato su di essi. È il primo metamateriale quantistico al mondo che può essere utilizzato come elemento di controllo nei circuiti elettrici superconduttori. I risultati del lavoro sono stati pubblicati sulla rivista "Nature Communications".
I metamateriali sono sostanze le cui proprietà sono determinate non tanto dagli atomi di cui sono composti, ma dalle strutture in cui questi stessi atomi sono assemblati. Ciascuna di queste strutture (vengono chiamate "meta-atomi") ha dimensioni di decine o addirittura centinaia di nanometri e ha il proprio insieme di proprietà che scompaiono quando si tenta di dividerlo in componenti.
Fino a poco tempo, una delle differenze fondamentali tra atomi e meta-atomi era che le proprietà degli atomi ordinari erano descritte dalle equazioni della meccanica quantistica e dai meta-atomi - dalle classiche equazioni fisiche.
La creazione di qubit (i più piccoli elementi per la memorizzazione di informazioni in un computer quantistico) ha portato alla possibilità di costruire un materiale costituito da meta-atomi, il cui stato è descritto solo meccanicamente quantistico. È vero, tale lavoro richiedeva la creazione di qubit speciali.
"Un qubit ordinario è costituito da un circuito che include tre giunzioni Josephson", spiega Kirill Shulga, ricercatore presso il Superconducting Metamaterials Laboratory del NUST MISIS. - E la composizione dello specchio comprende cinque transizioni, simmetriche rispetto all'asse centrale. I qubit specchio sono stati concepiti da noi come un sistema più complesso dei normali qubit superconduttori. La logica qui è semplice: un sistema artificialmente complicato con un gran numero di gradi di libertà ha un numero maggiore di fattori che possono influenzare le sue proprietà. Modificando alcuni parametri esterni dell'ambiente in cui si trova il nostro metamateriale, queste proprietà possono essere attivate e disattivate, trasferendo il qubit specchio da uno stato fondamentale con alcune proprietà a un altro ".
Nel corso dell'esperimento, si è scoperto che tutto il metamateriale costituito da qubit specchio può passare da una modalità all'altra. In uno dei regimi, una catena di tali qubit trasmette molto bene la radiazione elettromagnetica nella gamma delle microonde, pur rimanendo un elemento quantistico. In un altro, ruota la fase superconduttrice di 180 gradi e blocca il passaggio delle onde elettromagnetiche attraverso se stesso. È importante che allo stesso tempo rimanga un sistema quantistico.
Micrografia di una catena di qubit speculari. Nella parte inferiore la risoluzione è di 20 micron per cm, nella parte superiore di 5 micron per cm I cerchi indicano le giunzioni Josephson incluse in uno specchio qubit / NUST MISIS Press Service.
"Si scopre che con l'aiuto di un campo magnetico, un tale materiale può essere utilizzato come elemento di controllo nei sistemi per la trasmissione di segnali quantistici (singoli fotoni) nei circuiti che compongono i computer quantistici attualmente in via di sviluppo", commenta Ilya Besedin, ingegnere presso il Superconducting Metamaterials Laboratory presso NUST MISIS … "Questo è uno degli elementi chiave nei dispositivi elettronici superconduttori".
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È più difficile calcolare con precisione le proprietà di un qubit speculare su un normale computer che su un qubit ordinario. Complicando un tale qubit molte volte di più, è possibile raggiungere un limite di complessità che è già vicino o supera le capacità dei moderni computer elettronici. Un sistema così complesso può essere utilizzato come un simulatore quantistico, cioè un dispositivo in grado di prevedere e simulare le proprietà di un determinato processo o materiale reale.
Gli autori dello studio hanno dovuto mettere a punto molte teorie per descrivere correttamente i processi che avvengono nel meta-materiale quantistico. Il risultato di queste riflessioni è stato l'articolo “Trasparenza indotta magneticamente di un metamateriale quantistico composto da qubit di flusso gemello”, pubblicato sulla prestigiosa rivista “Nature Communications”.
