Международная группа, в которую вошли российские и германские учёные, создала первый в мире квантовый метаматериал. Его можно использовать в качестве элемента управления в сверхпроводящих электрических схемах.
Каждая такая структура имеет размеры в десятки или даже сотни нанометров и обладает собственным набором свойств, исчезающих при попытке разделить её на составляющие.
Такую структуру называют метаатом. Состоящее из метаатомов вещество — метаматериал.
Ещё одно отличие атомов и метаатомов до недавнего времени состояло в том, что свойства обычных атомов описывались уравнениями квантовой механики, а метаатомов — классическими физическими уравнениями.
Но создание кубитов привело к появлению потенциальной возможности сконструировать материал, состоящий из метаатомов, состояние которых описывается только квантово-механически.
Такая работа потребовала создания необычных, «зеркальных» кубитов.
«Международная группа, состоящая из учёных НИТУ «МИСиС», Технологического института Карлсруэ (нем. Karlsruher Institut für Technologie, KIT) (Германия) и Института фотонных технологий им. Лейбница (нем. Leibniz-Institut für Photonische Technologien) (Йена, 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 сверхпроводниковых электронных устройств».
«Зеркальные кубиты задумывались нами как более сложная система, нежели обычные сверхпроводящие кубиты, — пояснил первый автор работы, научный сотрудник лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» Кирилл Шульга. — Логика тут довольно простая: у более сложной (искусственно усложнённой) 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».
Точно просчитать свойства одного зеркального кубита на 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.
Авторы работы перебрали множество теорий, стараясь правильно описать процессы, происходящие в квантовом метаматериале.
Итогом их размышлений стала статья Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits, опубликованная в журнале Nature Communications.