Bit cuantic de la supraconductor la temperatură înaltă - Spotfolio GmbH; Co
Cercetătorii propun materiale pentru computere cuantice puternice și compacte
Jülich, februarie 2020. Ei aveau de fapt un scop diferit, dar oamenii de știință din Jülich, Münster și Moscova au găsit o cale prin care computerele cuantice ar putea deschide calea ieșirii din laboratoare specializate și într-o distribuție mai largă. Cheia acestui lucru este un material pentru qubiți care nu trebuie răcit până aproape de zero absolut.
În viitor, computerele cuantice ar trebui să poată rezolva anumite calcule mult mai repede decât cele mai rapide supercalculatoare din lume. Acest lucru poate fi util pentru o mare varietate de probleme, de la controlul optimizat al traficului până la proiectarea de materiale mai eficiente până la cercetarea ingredientelor active pentru medicamente noi. În prezent, însă, computerele cuantice sunt disponibile doar ca prototipuri în laborator sau pentru aplicații speciale.
Diverse strategii tehnologice sunt urmărite în paralel pentru realizarea de computere cuantice mai puternice. Qubits, biții computerelor cuantice, pot consta din ioni prinși sau circuite supraconductoare. În ambele cazuri, sunt necesare sisteme complexe de răcire care aduc qubiturile la temperaturi de aproximativ -273 ° C, ceea ce corespunde cu puțin mai mult de 0 Kelvin. Sunt la fel de scumpe ca o singură casă de familie și ocupă mai mult spațiu decât un frigider mare.
Cercetătorii de la Jülich, Münster și Moscova au descoperit acum că qubiturile supraconductoare pot fi realizate nu numai din supraconductorii obișnuiți la temperatură scăzută, ci și din supraconductorii cu temperatură înaltă, ceea ce înseamnă că o tehnologie de răcire mult mai ieftină, ca dimensiunea unei valize mici, ar fi suficientă. De asemenea, ar trebui să fie posibil să găzduiți un număr mai mare de astfel de qubit-uri pe un cip decât înainte și viteza de calcul care poate fi atinsă ar trebui să fie mărită cu ordine de mărime. Acesta din urmă se datorează, printre altele, duratei de viață mai lungi a stării excitate de cel puțin 20 de milisecunde la 5 Kelvin.
Cercetătorii din jurul prof. Rafal Dunin-Borkowski, director la institutele Jülich Ernst Ruska-Centrum și Peter Grünberg Institute, și iunie-prof. Dr. Carsten Schuck de la Universitatea din Münster privind componentele pentru detectoarele cu un singur foton pentru care răcirea inferioară ar trebui să fie suficientă. Astfel de detectoare sunt necesare pentru criptarea datelor folosind criptografia cuantică. Grupul de lucru al lui Schuck are o vastă experiență în dezvoltarea detectoarelor cu un singur foton bazate pe supraconductori cu temperatură scăzută.
Baza noului detector ar trebui să fie nanofirul din oxid de itriu-bariu-cupru (YBCO), un material supraconductiv chiar sub o temperatură comparativ caldă -181,15 ° C. Jülich are mulți ani de experiență în producția de filme subțiri de înaltă calitate din acest supraconductor la temperaturi ridicate și are dispozitive și metode unice, dintre care unele au fost dezvoltate intern. Cercetătorii din Jülich au folosit un fascicul de ioni concentrat pentru a tăia firele necesare în formă din straturile subțiri.
„Am experimentat cu nanofire de lățimi diferite, am lăsat fotonii să le lovească și am măsurat rezistența pe care aceasta o creează în supraconductor”, raportează fizicianul Dr. Matvey Lyatti, care a cercetat inițial proiectul în Münster și mai târziu în Jülich. Detectarea fotonilor se bazează pe acest principiu. "Dar rezultatele la lățimi sub 100 nanometri nu ne-au îndeplinit așteptările."
După cum sa dovedit, efectele cuantice devin evidente la 12-13 Kelvin: nanofirul supraconductor ia numai stări de energie selectate. Acestea ar putea fi utilizate pentru a codifica informații. Cu biții cuantici convenționali, sunt necesare temperaturi de câteva sute de ori mai mici, care sunt mult mai dificil de realizat.
„Rezultatele noastre au fost atât de surprinzătoare încât cu greu ne-am putea crede noi înșine”, își amintește fizicienii Jülich Dr. Irina Gundareva. Dar măsurătorile au convins în cele din urmă recenzorii sceptici inițiali de publicarea rezultatelor în Nature Communications.
Cercetătorii își vor continua munca pe nanofirele YBCO și vor planifica să dezvolte circuite cuantice supraconductoare bazate pe nanofire în următorii ani, cu scopul final de a face posibil un computer cuantic desktop compact. În plus, își urmăresc obiectivul de a detecta noi detectori supraconductori cu un singur foton, care pot fi răcite de criocoolere compacte. Nanofirele YBCO examinate s-au dovedit a fi potrivite pentru acest scop și au prezentat avantaje semnificative față de tehnologia existentă în ceea ce privește temperatura necesară de răcire și rezoluția temporală a semnalului.
Informații suplimentare: https://www.fz-juelich.de/