物理學家成功研製量子態探測器

利用探測台測試探測器的電生理特性。圖片來自MIPT。

莫斯科物理技術學院(MIPT)的物理學家與他們在俄羅斯和英國的同事合作開發了一台超導量子態探測器。這種新裝置可以在低溫下探測磁場，對研究人員和量子計算機工程師來說是很有用的工具。

該研究小組由來自莫斯科物理技術學院、俄羅斯科學院微電子與高純材料研究所、皇家霍洛威大學、倫敦大學的研究員組成。該研究成果發表在《納米快報》上。他們研發的探測器由兩個約瑟夫森結耦合而成的超導鋁環組成。由於環段上波函數之間存在相位差，隨著每個環上量子數的變化，設備的臨界電流也會依次發生零、最大電流、零這樣的階梯狀變化。這兩個環被重疊放置在一個平板晶元上，尤其需要注意的是，它們是通過約瑟夫森結耦合的。

波函數的概念是描述量子物體(包括單個粒子和更複雜的系統)的一種方法，所謂的波函數是指一個空間中的所有點的概率振幅這一數值。「波」和「振幅」這兩個詞意味著波函數所描述的物體很像波。事實上，研究員甚至可以討論波函數的相位。在量子力學中，波函數是一個中心概念，是一個物體的主要特徵。設備中的約瑟夫森結是由介質材料的1-2納米層分離而成的兩個超導體組成的器件。

MIPT人造量子系統實驗室的資深研究科學家Vladimir Gurtovoi表示：「我們的技術非常簡單：我們使用的是在超導研究和標準製造技術研究中都非常典型的材料和技術，如電子束光刻和高真空沉積鋁。然而，即便如此，我們最終卻研製出了一個具有開創性意義的系統。」

研究員將裝置冷卻到0.6 開爾文溫度（低於鋁的超導轉變溫度），隨後施加一個偏置電流。在一個變化的磁場中，物理學家觀察到，隨著探測器中超導環的量子數發生變化，電壓也會相應地產生周期性變化。探測器中的磁通量子(flux quantum )發生變化會引發周期性的電壓振蕩。而磁通量子是通過超導線路可以改變的磁通量(magnetic flux)的最小值。

圖為MIPT人造量子系統實驗室的資深研究科學家Vladimir Gurtovoi。圖片來自MIPT。

該實驗裝置是傳統超導量子干涉裝置(SQUID)的一個變種。它的特別之處在於，研究員採用了超導體中的一種非常規幾何結構。

通過對設備的運行進行理論分析，研究人員發現，在新干涉儀中，通過兩個約瑟夫森結的超導電流無限接近於單個電流通過每個具有相位校正的結的總和，這就解釋了當兩個環的量子數發生變化時，會產生電壓跳變(voltage jump)的原因。值得注意的是，探測器響應是由量子數決定的。因此，新裝置可以說是一個完美的量子態探測器。

「新裝置大大改善了傳統SQUID的靈敏度。因此，可能的弱磁場測量的範圍會變得更大。」Vladimir Gurtovoi解釋說。

人們目前正在深入研究相干超導系統。它們可以用作量子比特——量子計算機處理所需要的基本信息單元。量子計算機在處理某些複雜問題時可以發揮非常強大的作用，包括量子系統建模、解密和資料庫搜索等。MIPT的人造量子系統實驗室正在開發先進的量子計算技術，包括量子比特設計。他們正在研發的雙環干涉儀可以直接探測量子比特的量子態。

左邊的示意圖展示了兩個約瑟夫森結耦合的超導迴路。電流流經約瑟夫森結a（用 Ja sin(?a)表示）和b(用Jb sin(?b)表示)，?是波函數的相位——一個用來表徵系統的量子數值。右邊是實驗系統的假彩色圖像(false color image)。圖片來自《納米快報》。

通過干涉儀的電流公式：

Is = Iasin(?a) + Ibsin(?a + π(nu + nd))

這個表達式中的Ia和Ib代表的是兩個約瑟夫森結的臨界電流。 ?a表示每個結的波函數相位變化（由新干涉儀的幾何形狀決定並且兩個結的波函數相位變化都是一樣的）。相期π(nu + nd) 中的nu（「上」）和 nd（「下」）分別表示角動量量子數的最大值和最小值。

由於當nu 和nd中的其中一個數字增加或減少1時，量子數和(nu + nd)的奇偶性會發生變化，因此方程式中的第二項（second term）會以一個階梯狀的方式改變其符號。由於兩個約瑟夫森結的臨界電流是相同的，也就是說 Ia等於 Ib，那麼整個表達式最終會產生臨界電流的兩個離散值：這個數值要麼是Ia + Ib；要麼兩個項完全相反，結果為零。

如果量子數和是偶數，則干涉儀上的電壓為零。如果量子數和是奇數，那麼研究員就可以很容易地測量到一個已知數值的電壓。

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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