Ученые разработали новый датчик магнитного поля, работающий при низких температурах. Он способен стать как исследовательским инструментом, так и элементом построения квантовых компьютерных систем. Специалисты МФТИ, Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, а также физического факультета университета Роял-Холлоуэй описали новый прибор на страницах журнала Nano Letters.

Устройство представляет собой плоский чип с двумя квадратными сверхпроводящими контурами из алюминия. Эти контуры расположены друг над другом и, что самое важное, связаны между собой джозефсоновскими контактами, то есть между ними находится тонкий (1—2 нм) слой диэлектрика. Контуры связаны переходами таким образом, что разность фаз волновых функций на сегментах этих контуров скачкообразно меняет критический ток всей структуры от нуля до максимального значения и обратно при последовательном изменении квантовых чисел в каждом из контуров.

Слева: схематическое изображение сверхпроводящих контуров. Ток через джозефсоновские контакты a (сверху) и b (снизу) обозначен как Ja sin(φa) и Jb sin(φb ) , где φ — фаза волновой функции, квантовая величина, описывающая систему в целом. Справа: изображение всей системы, снимок в условных цветах. Vladimir L. Gurtovoi et. al

Готовый прибор исследователи охладили до температур ниже сверхпроводящего перехода алюминия (0,6—1,3 кельвин) и приложили постоянный ток смещения. В изменяющемся магнитном поле физики обнаружили регулярные скачки напряжения, соответствующие изменению квантовых состояний сверхпроводящих контуров детектора. Период осцилляций напряжения связан с минимальным возможным шагом изменения магнитного потока — квантом магнитного потока.

Такой эксперимент отчасти напоминает ставший уже классическим опыт со СКВИДом (SQUID — Superconducting Quantum Interference Device, сверхпроводящий квантовый интерферометр), однако в новой работе использовалась ранее неисследованная геометрическая конфигурация сверхпроводников.

Теоретический анализ работы прибора показал, что сверхпроводящий ток через два джозефсоновских перехода нового интерферометра равен сумме токов через каждый из переходов с необычными фазовыми поправками, приводящими к скачкам напряжения при изменении квантовых чисел состояний сверхпроводящих контуров. Стоит также отметить, что отклик детектора определяется только квантовыми числами и не зависит явным образом от магнитного поля и площади сверхпроводящих контуров, что отличает его от классической реализации СКВИДА. Таким образом, данный прибор является идеальным детектором квантовых состояний.

«Новая конфигурация оказалась намного чувствительнее в сравнении с традиционными СКВИД-ами со слабыми связями «сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник», что может существенно расширить диапазон измерений малых магнитных полей», — пояснил первый автор работы Владимир Гуртовой из МФТИ.

Сверхпроводящие системы сейчас активно пытаются применять для построения кубитов, базовых блоков квантовых компьютеров, а также для считывания квантовых состояний кубитов. Данный интерферометр может использоваться для детектирования квантовых состояний сверхпроводящих кубитов, если один из сверхпроводящих контуров будет заменен на кубит.