Вихри Абрикосова превратили в кубиты: новый ресурс для квантовых технологий

Сверхпроводимость — состояние, при котором электрический ток течёт без сопротивления. Однако сверхпроводники второго типа, к которым относится большинство технически важных материалов, ведут себя сложнее. При превышении определённого порога магнитное поле начинает проникать внутрь в виде крошечных вихрей — вихрей Абрикосова. В центре каждого вихря сверхпроводимость подавлена, и вокруг него циркулирует ток куперовских пар.

Раньше физики рассматривали вихри Абрикосова как нежелательное явление: они рассеивают энергию и снижают эффективность сверхпроводящих устройств. Однако международная группа исследователей решила проверить, можно ли не бороться с вихрями, а извлечь из них пользу.

Как стабилизировать вихри?

Для эксперимента учёные использовали сильно неупорядоченные тонкие плёнки гранулированного алюминия. В этом материале сверхпроводящие островки разделены слоями оксида алюминия, который не проявляет сверхпроводящих свойств. Именно такая структура позволила стабилизировать вихри, предотвратив их хаотичное движение.

Из этого материала физики изготовили микроволновый резонатор. Внутри него вихри Абрикосова оказались запертыми и перемещались не обычным образом, а посредством квантового туннелирования — перескоками через энергетические барьеры в сложном рельефе системы. В таких условиях вихри стали вести себя как атомы с двумя чёткими состояниями, то есть превратились в кубиты.

Кубиты из вихрей: управление и считывание

Исследователи показали, что могут контролировать состояние вихрей и считывать его с помощью методов, основанных на квантовой электродинамике микроволнового диапазона. Время когерентности и релаксации полученных кубитов достигает микросекунд — это сравнимо с характеристиками существующих сверхпроводящих кубитов.

«Ещё один важный результат нашего исследования заключается в очередном подтверждении, что при благоприятных условиях даже явления, долго считавшиеся нежелательными, могут становиться ценными ресурсами, — отметил руководитель группы профессор Йоан М. Поп (Ioan M. Pop). — Это открывает совершенно новые перспективы для разработки будущих квантовых систем».

Работа демонстрирует, что подход, основанный на использовании вихрей Абрикосова, может стать альтернативой традиционным сверхпроводящим кубитам. Благодаря неупорядоченной структуре материала вихри удалось стабилизировать без сложной литографии, что упрощает производство. Однако пока время когерентности ограничено микросекундами, и предстоит улучшить этот показатель.

В перспективе управляемые вихри Абрикосова могут стать основой для нового типа квантовых процессоров, где «вредное» явление превращается в ценный ресурс. Исследование ещё раз подтверждает, что в физике даже давно известные эффекты способны преподносить сюрпризы, если взглянуть на них с неожиданной стороны.