Новый инструмент измеряет поток ультрафиолетового излучения, и эти данные находят применение в квантовых вычислениях.

Newswise — AMES, Айова — Джиганг Ван провел краткую экскурсию по микроскопу нового типа, который может помочь исследователям понять и, в конечном итоге, разработать внутреннюю работу квантовых вычислений.

Ван, профессор физики и астрономии в Университете штата Айова, который также связан с Национальной лабораторией Эймса Министерства энергетики США, описал, как прибор работает в экстремальных масштабах пространства, времени и энергии — миллиардные доли метра, четыре миллионные доли метра. секунда и триллионные доли секунды. электромагнитных волн в секунду.

Ван показал и объяснил системы управления, лазерный источник и лабиринт зеркал, образующих оптический путь, излучающий свет с частотой триллионов циклов в секунду, сверхпроводящие магниты, окружающие пространство с образцом, изготовленный на заказ атомно-силовой микроскоп и атомно-силовой микроскоп. Ярко-желтый криостат снижает температуру образца до температуры жидкого гелия, около -450 градусов по Фаренгейту.

Ван называет это устройство криогенным терагерцовым магнитным оптическим микроскопом ближнего поля. (Для краткости это cm-SNOM.) Он расположен в Центре чувствительных инструментов Национальной лаборатории Эймса к северо-западу от кампуса Университета штата Айова.

На создание устройства ушло пять лет и 2 миллиона долларов: 1,3 миллиона долларов от фонда WM Keck Foundation в Лос-Анджелесе и 700 тысяч долларов от штата Айова и Национальной лаборатории Эймса. Я собирал данные и участвовал в испытаниях менее года.

«Ни у кого его нет», — сказал Ван о крупномасштабном наноскопе. «Это первый в мире».

Он может фокусироваться примерно до 20 нанометров или 20 миллиардных долей метра, работая при температурах жидкого гелия и мощных магнитных полях Теслы. Этого достаточно, чтобы получить представление о сверхпроводящих свойствах материала в этих суровых условиях.

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество — электроны — без сопротивления или тепла, как правило, при очень низких температурах. Сверхпроводящие материалы имеют множество применений, в том числе медицинские приложения, такие как МРТ, и в качестве магнитных дорожек для заряженных субатомных частиц, вращающихся вокруг ускорителей, таких как Большой адронный коллайдер.

Теперь сверхпроводящие материалы рассматриваются для квантовых вычислений, нового поколения вычислительной мощности, использующей механику и энергии на атомном и субатомном уровнях квантового мира. Сверхпроводящие квантовые биты, или кубиты, являются ядром новой технологии. Одна из стратегий управления сверхтоковыми потоками в кубитах — использование сильных импульсов световых волн.

«Сверхпроводящая технология является основным направлением квантовых вычислений», — сказал Ван. «Поэтому нам нужно понять и описать сверхпроводимость и то, как она контролируется светом».

Это то, что делает cm-SNOM. Как описано в только что опубликованной статье в журнале Nature Physics и в препринте, опубликованном на веб-сайте arXiv (см. врезку), Ван и группа исследователей провели первые средние измерения потока сверхтоков в сверхпроводниках на основе железа в терагерцах (триллионные доли во втором) энергетические метрики и первое движение CM-SNOM для обнаружения сверхтокового терагерцового туннелирования в высокотемпературном сверхпроводнике на основе меди.

«Это новый метод измерения отклика сверхпроводимости на импульсы оптических волн», — сказал Ван. «Мы используем наши инструменты, чтобы по-новому взглянуть на это квантовое состояние в нанометровых масштабах через терагерцовые циклы».

«Анализируя новые наборы экспериментальных данных, мы можем разработать передовые методы томографии для наблюдения состояний квантовой запутанности в сверхпроводниках, управляемых светом.

В статье исследователей отмечается, что «взаимодействия, способные управлять «этими сверхтоками», остаются плохо изученными, отчасти из-за отсутствия измерений».

Теперь, когда эти измерения были сделаны на уровне ансамбля, Ван с нетерпением ждет следующих шагов по измерению сверхсуществования с использованием шкалы cm-SNOM в синхронизированных нанометровом и терагерцовом масштабах. При поддержке Центра сверхпроводящих квантовых систем и материалов, возглавляемого Национальной ускорительной лабораторией Ферми Министерства энергетики США в Иллинойсе, его группа ищет способы сделать новый прибор еще более точным. Могут ли измерения быть такими же точными, как визуализация туннелирования сверхтоков в отдельных джозефсоновских контактах, то есть движения электронов через барьер, разделяющий два сверхпроводника?

«Нам действительно нужно масштабироваться до этого уровня, чтобы повлиять на улучшение кубитов для квантовых компьютеров», — сказал он. «Это большая цель. И это всего лишь маленький шаг в этом направлении. Шаг за шагом».

— 30 —

Читать газету

«Квантовая когерентная томография управляемой светом сверхпроводимости», Nature Physics, 5 декабря 2022 г.

«Сканирующий магнито-терагерцовый микроскоп ближнего поля (cm-SNOM), arXiv, 13 октября 2022 г.

Исследователи

Соответствующий автор: Цзян ВанУниверситет штата Айова и Национальная лаборатория Эймса

Первые авторы: Лян Луштат Айова и национальная лаборатория Эймса; Мартин Мутцштата Айова и Национальной лаборатории Эймса, ранее принадлежавшей Университету Алабамы в Бирмингеме; Юнг Хун Канранее работавший в Университете Висконсин-Мэдисон, а теперь в Пхоханском университете науки и технологий в Южной Корее.

Соавторы: Чуанкун Хуанштат Айова и национальная лаборатория Эймса; Чираг Васваниранее из штата Айова и Национальной лаборатории Эймса, а в настоящее время из Корнельского университета в Нью-Йорке; Ки Тэ ЫмВисконсин Юнг Ву ЛиВисконсин Хесус Коллантес; Университет штата Флорида; Эрик ХеллстремФлорида; Элиас Перакис, Алабама в Бирмингеме; И Чан Бом ЫмВисконсин

cm-SNOM процесс: Ричард Х. Дж. Ким, Чон Мук Парк, Сэмюэл Дж. Хаузер, Лян Лу и Джиджанг Ван, штат Айова, Национальная лаборатория Эймса

—

О Фонде В. М. Кека

Корпорация WM Keck была основана в 1954 году в Лос-Анджелесе Уильямом Майроном Кеком, основателем Superior Oil Company. Фонд В. М. Кека, одна из крупнейших в стране благотворительных организаций, поддерживает выдающиеся научные, инженерные и медицинские исследования. Фонд также поддерживает высшее образование и поддерживает программу в Южной Калифорнии для поддержки проектов в области искусства и культуры, образования, здравоохранения и общественных работ.