Международная группа российских и германских ученых совершила прорыв в создании невозможных в природе материалов. Им удалось создать первый в мире квантовый метаматериал, который можно использовать в качестве элемента управления в сверхпроводящих электрических схемах.
Метаматериалы — вещества, свойства которых определяются не столько атомами, из которых они состоят, сколько тем, в какие структуры эти самые атомы собраны. Каждая такая структура имеет размеры в сотни десятки или даже сотни нанометров и обладает собственным набором свойств, исчезающих при попытке разделить её на составляющие. Поэтому такую структуру называют мета-атом (чтобы не путать с обычными атомами из Периодической таблицы Менделеева). А состоящее из мета-атомов вещество — мета-материалом.
Ещё одно отличие атомов и мета-атомов до недавнего времени состояло в том, что свойства обычных атомов описывались уравнениями квантовой механики, а мета-атомов — классическими физическими уравнениями. Но создание кубитов привело к появлению потенциальной возможности сконструировать материал, состоящий из мета-атомов, состояние которых описывается только квантовомеханически. Правда, такая работа потребовала создания необычных кубитов.
Как пояснил первый автор работы, научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» Кирилл Шульга, обычный кубит состоит из схемы, в которую входит три джозефсонских перехода. А в состав зеркального входят пять переходов, симметричных относительно центральной оси.«Международная группа, состоящая из ученых НИТУ „МИСиС“, университета Карлсруэ (Германия) и Йенского института фотонных технологий (Германия) под руководством главы лаборатории „Сверхпроводящие метаматериалы“ НИТУ „МИСиС“ профессора Алексея Устинова впервые в мире создала „зеркальный“ кубит, а также метаматериал на его основе, — рассказала ректор НИТУ „МИСиС“ Алевтина Черникова. — Благодаря исключительным свойствам нового материала на его основе можно создать один из ключевых элементов для сверхпроводниковых электронных устройств».
«Зеркальные кубиты задумывались нами как более сложная система, нежели обычные сверхпроводящие кубиты, — пояснил ученый. — Логика тут довольно простая: у более сложной (искусственно усложненной) системы с большим числом степеней свободы присутствует большее число факторов, которые могут влиять на её свойства. Меняя некие внешние параметры среды, в которой находится наш метаматериал, можно эти свойства включать и выключать, переводя зеркальный кубит из одного основного состояния с одними свойствами в другое, с другими свойствами».
В ходе эксперимента оказалось, что весь метаматериал, состоящий из зеркальных кубитов, может переключаться между двумя режимами: «В одном из режимов цепочка таких кубитов очень хорошо пропускает электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне, при этом оставаясь квантовым элементом, — рассказывает ещё один автор работы — инженер лаборатории „Сверхпроводящие метаматериалы“ НИТУ „МИСиС“ Илья Беседин. — В другом она поворачивает сверхпроводящую фазу на 180 градусов и запирает прохождение электромагнитных волн через себя. И тоже при этом остаётся квантовой системой. Так что при помощи магнитного поля такой материал можно использовать как управляющий элемент в системах передачи квантовых сигналов (отдельных фотонов) в цепях, из которых состоят развивающиеся сейчас квантовые компьютеры», — подчеркнул исследователь.
Точно просчитать свойства одного зеркального кубита на обычном компьютере сложнее, чем обычного кубита. Усложнив такой кубит ещё в несколько раз, можно достигнуть предела сложности, уже близкого или превосходящего возможности современных электронных компьютеров. Такую сложную систему можно использовать как квантовый симулятор, то есть устройство, способное предсказать и смоделировать свойства некого реального процесса или материала.Как говорят авторы работы, им пришлось перебрать множество теорий, чтобы правильно описать процессы, происходящие в квантовом мета-материале. Итогом размышлений стала статья «Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits», опубликованная в журнале Nature Communications.
