Предыдущая публикация
Как разгадать загадки невидимого квантового мира?
Создать его точную копию из ультрахолодных атомов
Учёные раскрыли тайны эффекта Джозефсона лежащего в основе квантовых компьютеров.Многие квантовые эффекты, на которых основаны современные технологии, происходят на масштабах, недоступных прямому наблюдению. Один из таких эффектов — эффект Джозефсона. Он лежит в основе работы квантовых компьютеров на сверхпроводниках, эталонов напряжения и медицинских приборов, применяемых для измерения активности мозга.
Несмотря на широкое практическое использование, процессы внутри джозефсоновского перехода до сих пор плохо поддаются прямому изучению. Внутренняя динамика, связанная с потерями энергии и появлением возбуждений, скрыта внутри твёрдого тела. Немецкие физики предложили альтернативный подход: воссоздать этот квантовый эффект не в сверхпроводнике, а в системе ультрахолодных атомов и наблюдать его напрямую.
Классический джозефсоновский переход состоит из двух сверхпроводников, разделённых очень тонким изолирующим слоем. Благодаря квантовому туннелированию электрический ток может протекать через этот барьер без сопротивления. При увеличении тока в системе появляются потери энергии. Если при этом на переход воздействует микроволновое излучение, на вольт-амперной характеристике возникают участки с постоянным напряжением. Эти плато известны как ступени Шапиро и используются как основа международного стандарта вольта из-за их высокой воспроизводимости.
Проблема заключается в том, что внутри сверхпроводящего материала невозможно напрямую проследить, как формируются эти ступени и какие процессы за ними стоят. Чтобы обойти это ограничение, исследователи использовали метод квантового моделирования и заменили электронную систему атомной.
В эксперименте были задействованы конденсаты Бозе — Эйнштейна — ультрахолодные атомные газы, в которых частицы ведут себя как единая квантовая система. Учёные подготовили два таких конденсата и разделили их тонким оптическим барьером, сформированным сфокусированным лазерным лучом. Получившаяся структура выполняла ту же функцию, что и изолирующий слой в джозефсоновском переходе.
Чтобы воспроизвести воздействие переменного электромагнитного поля, лазерный барьер начали периодически перемещать. Это приводило к перетеканию атомов между двумя конденсатами. В процессе измерялась разность химических потенциалов — величина, которая в атомных системах играет ту же роль, что напряжение в электронных схемах.
В результате в атомной системе появились ступени Шапиро. Их структура и поведение соответствовали тем, что наблюдаются в сверхпроводниковых переходах. Таким образом, эффект, известный из физики твёрдого тела, проявился в совершенно иной физической среде.
Полученные данные подтверждают, что ступени Шапиро не привязаны к конкретному типу носителей заряда. Их появление определяется фундаментальными квантовыми закономерностями и частотой внешнего воздействия. При этом атомные системы позволяют детально изучать процессы диссипации, когерентности и неравновесной динамики, которые в твёрдых телах остаются скрытыми. Такое понимание критически важно для разработки защищённых квантовых устройств, которые будут противостоять воздействиям внешней среды.
Авторы подчёркивают, что текущая установка представляет собой упрощённую модель и не воспроизводит всю сложность реальных электронных схем. Следующий этап работы — объединение нескольких атомных джозефсоновских переходов в единую систему. Такое направление известно как атомтроника и рассматривается как удобная экспериментальная платформа для изучения принципов работы квантовых устройств и компонентов на фундаментальном уровне.
Источник
Несмотря на широкое практическое использование, процессы внутри джозефсоновского перехода до сих пор плохо поддаются прямому изучению. Внутренняя динамика, связанная с потерями энергии и появлением возбуждений, скрыта внутри твёрдого тела. Немецкие физики предложили альтернативный подход: воссоздать этот квантовый эффект не в сверхпроводнике, а в системе ультрахолодных атомов и наблюдать его напрямую.
Классический джозефсоновский переход состоит из двух сверхпроводников, разделённых очень тонким изолирующим слоем. Благодаря квантовому туннелированию электрический ток может протекать через этот барьер без сопротивления. При увеличении тока в системе появляются потери энергии. Если при этом на переход воздействует микроволновое излучение, на вольт-амперной характеристике возникают участки с постоянным напряжением. Эти плато известны как ступени Шапиро и используются как основа международного стандарта вольта из-за их высокой воспроизводимости.
Проблема заключается в том, что внутри сверхпроводящего материала невозможно напрямую проследить, как формируются эти ступени и какие процессы за ними стоят. Чтобы обойти это ограничение, исследователи использовали метод квантового моделирования и заменили электронную систему атомной.
В эксперименте были задействованы конденсаты Бозе — Эйнштейна — ультрахолодные атомные газы, в которых частицы ведут себя как единая квантовая система. Учёные подготовили два таких конденсата и разделили их тонким оптическим барьером, сформированным сфокусированным лазерным лучом. Получившаяся структура выполняла ту же функцию, что и изолирующий слой в джозефсоновском переходе.
Чтобы воспроизвести воздействие переменного электромагнитного поля, лазерный барьер начали периодически перемещать. Это приводило к перетеканию атомов между двумя конденсатами. В процессе измерялась разность химических потенциалов — величина, которая в атомных системах играет ту же роль, что напряжение в электронных схемах.
В результате в атомной системе появились ступени Шапиро. Их структура и поведение соответствовали тем, что наблюдаются в сверхпроводниковых переходах. Таким образом, эффект, известный из физики твёрдого тела, проявился в совершенно иной физической среде.
Полученные данные подтверждают, что ступени Шапиро не привязаны к конкретному типу носителей заряда. Их появление определяется фундаментальными квантовыми закономерностями и частотой внешнего воздействия. При этом атомные системы позволяют детально изучать процессы диссипации, когерентности и неравновесной динамики, которые в твёрдых телах остаются скрытыми. Такое понимание критически важно для разработки защищённых квантовых устройств, которые будут противостоять воздействиям внешней среды.
Авторы подчёркивают, что текущая установка представляет собой упрощённую модель и не воспроизводит всю сложность реальных электронных схем. Следующий этап работы — объединение нескольких атомных джозефсоновских переходов в единую систему. Такое направление известно как атомтроника и рассматривается как удобная экспериментальная платформа для изучения принципов работы квантовых устройств и компонентов на фундаментальном уровне.
Источник
Следующая публикация
Нет комментариев