Физики создали высокотемпературный сверхпроводящий диод для квантовых вычислений

Китайские исследователи впервые продемонстрировали эффект высокотемпературного сверхпроводящего диода, который позволяет току течь в обоих направлениях. Результат, опубликованный в журнале Nature Physics, может помочь решить проблему шумных сигналов, являющуюся фундаментальной проблемой для квантовых вычислений.

Квантовый сверхпроводящий диод на чипе

Диод — это устройство с асимметричным электрическим откликом, пропускающее ток в одном направлении лучше, чем в другом. До недавнего времени такое поведение наблюдалось только в обычных, несверхпроводящих системах. В 2020 году японские учёные впервые продемонстрировали диодный эффект в сверхпроводнике, что привлекло внимание к его потенциалу для практических квантовых вычислений.

«Однако большинство заявленных сверхпроводящих диодов работают при низких температурах около 10 Кельвинов и часто требуют внешнего магнитного поля, — объясняет руководитель исследования Дин Чжан из Университета Цинхуа и Пекинской академии квантовых информационных наук. — Эффективность таких диодов также невысока».

Прорыв с купратными сверхпроводниками

В своём исследовании Чжан и его коллеги использовали купратные сверхпроводники — композитные материалы из чередующихся слоёв оксидов меди и других металлов, которые на сегодняшний день демонстрируют самые высокие критические температуры.

Создав из двух чешуек купрата джозефсоновский переход (структуру с крошечным зазором между сверхпроводниками), учёные смогли контролировать сверхпроводящее напряжение. Они скрутили чешуйки под определёнными углами друг к другу и использовали импульсную технику для создания асимметрии в переходе.

«Этот простой метод позволяет нам достичь высокой эффективности диода при температурах выше температуры кипения жидкого азота (77 Кельвинов) и без необходимости в магнитном поле», — описывает Чжан.

Значение для квантовых вычислений

Это достижение особенно важно для квантовых вычислений, где шумная обработка сигналов может разрушать хрупкую квантовую информацию. Поскольку ток в новом диоде в обоих направлениях переносится куперовскими парами (связанными электронами), шум от рассеяния отдельных электронов можно полностью избежать.

«Это отличается от стандартного сверхпроводящего диодного эффекта, где куперовские пары ответственны за ток только в одном направлении, — объясняет Чжан. — Поэтому мы назвали это явление "квантовым сверхпроводящим диодным эффектом"».

Достигнув эффекта в реальных экспериментах, команда надеется, что их результат вскоре откроет путь к более практичным демонстрациям. «Эта техника должна быть применима к широкому спектру сверхпроводников, — продолжает Чжан. — В частности, она может помочь реализовать сверхпроводящий диодный эффект при ещё более высоких температурах — свыше 100 Кельвинов».