Wir, który pamięta. Nadprzewodzące stany kwantowe ujarzmione

W świecie fizyki kwantowej istnieje zjawisko, które przez dekady uchodziło za czysto akademicką ciekawostkę – wiry Abrikosowa w nadprzewodnikach. Te maleńkie struktury, powstające, gdy pole magnetyczne przenika przez materiał w postaci dyskretnych kwantów strumienia, zachowują się jak klasyczne, rozpraszające energię obiekty. Aż do teraz. Zespół fizyków z Nature dowiódł, że w odpowiednich warunkach wiry te mogą stać się pełnoprawnymi układami dwupoziomowymi – kubitami – z czasem koherencji rzędu mikrosekund i czasem relaksacji sięgającym ułamków milisekundy.

Niespodzianka w ziarnistej strukturze

→ Czytaj też: Zamrozili światłowód do -196°C. Efekt może zmienić komputery na zawsze

Kluczem do sukcesu okazała się granularność materiału. W klasycznych nadprzewodnikach wir jest obszarem, w którym przerwa nadprzewodząca całkowicie zanika – staje się „dziurą” w nadprzewodnictwie, przez którą wycieka energia. Jednak w filmach o naturalnej lub celowo wprowadzonej ziarnistości, gdzie poszczególne ziarna mają rozmiar porównywalny z długością koherencji, sytuacja się zmienia. Jak tłumaczą autorzy publikacji, nieuporządkowanie materiału może doprowadzić do przejścia w reżim, w którym rdzeń wiru zachowuje przerwę energetyczną. To otwiera drogę do kwantowego zachowania wirów – mogą one działać jak tunelowe złącza Josephsona, a więc jak sztuczne atomy.

Wcześniejsze eksperymenty sygnalizowały możliwość istnienia takich stanów, ale dopiero teraz udało się je w pełni scharakteryzować i – co najważniejsze – kontrolować. Zastosowano technikę obwodowej elektrodynamiki kwantowej (circuit QED), która pozwala na odczytywanie i manipulowanie stanem kwantowym wiru bez niszczenia go. To tzw. odczyt nieniszczący (quantum non-demolition readout), kluczowy dla budowy skalowalnych komputerów kwantowych.

Mikrosekundy, które zmieniają wszystko

→ Czytaj też: Zaskakujące odkrycie w kamieniu z Iranu. Natura zrobiła to, czego fizycy nie potrafią

Uzyskane parametry – czas koherencji rzędu mikrosekund i czas relaksacji sięgający setek mikrosekund – plasują wiry Abrikosowa wśród konkurencyjnych platform kubitowych. Dla porównania, pierwsze kubity nadprzewodzące oparte na złączach Josephsona miały czasy koherencji rzędu nanosekund. Dziś osiągają setki mikrosekund, ale wymagają skomplikowanej litografii i izolacji od szumów. Wiry oferują prostszą drogę: powstają samoistnie w materiale, a ich właściwości można modulować poprzez zmianę pola magnetycznego.

„Wykazaliśmy, że wiry uwięzione w granularnych filmach nadprzewodzących mogą zachowywać się jak układy dwupoziomowe, wykazując kwantową koherencję w skali mikrosekund” – podkreślają autorzy w artykule opublikowanym w Nature.

To nie tylko dowód na istnienie kwantowych stanów wirowych, ale przede wszystkim demonstracja, że można je wykorzystać w praktyce. Rezonatory z granularnego aluminium, w których przeprowadzono eksperymenty, są stosunkowo łatwe w produkcji i mogą stać się podstawą nowej generacji procesorów kwantowych.

Od kubitów do sensorów

Konsekwencje odkrycia wykraczają daleko poza informatykę kwantową. Wiry są niezwykle czułe na zmiany pola magnetycznego – każdy kwant strumienia to precyzyjny znacznik. Dzięki możliwości odczytu nieniszczącego, takie układy mogą posłużyć jako ultraczułe magnetometry, zdolne wykrywać pojedyncze spine elektronowe czy nawet oddziaływania z ciemną materią. W artykule autorzy wskazują, że technika ta otwiera „nowe kierunki dla przetwarzania informacji kwantowej, charakteryzacji materiałów i sensorów”.

Co więcej, sama metoda – wykorzystanie obwodów QED do badania stanów wirowych – może stać się potężnym narzędziem dla fizyki materii skondensowanej. Pozwala bowiem na precyzyjne śledzenie dynamiki wirów w czasie rzeczywistym, co było dotychczas nieosiągalne. To jakby nagle zyskać możliwość oglądania pojedynczych atomów w krysztale – tylko że zamiast atomów mamy kwanty strumienia magnetycznego.

Co dalej?

Przed naukowcami stoi teraz zadanie zwiększenia czasów koherencji i opracowania metod łączenia wielu wirów w większe rejestry. Granularne filmy nadprzewodzące oferują naturalną platformę do tworzenia sieci połączonych ze sobą kubitów wirowych. Jeśli uda się opanować kontrolę nad oddziaływaniami między nimi, możemy być świadkami narodzin nowej architektury komputerów kwantowych – opartej nie na sztucznie wytworzonych złączach, ale na samoorganizujących się strukturach magnetycznych. Paradoksalnie, to, co przez lata uchodziło za wadę nadprzewodników – ich podatność na przenikanie pola magnetycznego – może okazać się ich największą zaletą.