Сверхпроводимость является явлением, при котором материал, охлажденный ниже определённой температуры (критической), теряет электрическое сопротивление и способен проводить электрический ток без потерь. Это явление находит широкое применение в различных областях науки и техники, включая квантовые вычисления и квантовую информацию. Сверхпроводящие квантовые устройства (SQUID — сверхпроводящие квантовые интерферометры) становятся важными компонентами в квантовых технологиях, где они позволяют изучать и использовать квантовые эффекты.
Сверхпроводимость была открыта Хейке Камерлингом-Оннесом в 1911 году, когда он обнаружил, что ртуть при охлаждении ниже определенной температуры теряет все признаки электрического сопротивления. Это явление объясняется теорией Бардена-Купера-Шриффера (BCS), которая указывает, что при низких температурах электроны в сверхпроводнике начинают образовывать пары (которые называются куперовскими парами), что позволяет им двигаться по проводнику без сопротивления.
Сверхпроводники можно разделить на два типа:
Сверхпроводящие квантовые устройства являются компонентами квантовых технологий, которые используют уникальные квантовые свойства сверхпроводящих материалов. Эти устройства включают такие элементы, как сверхпроводящие туннельные диоды, квантовые биты (кубы) и квантовые интерферометры.
Сверхпроводящий кубит — это квантовый элемент, который используется в квантовых вычислениях. В отличие от классического бита, который может находиться в одном из двух состояний (0 или 1), кубит может существовать в суперпозиции состояний, что открывает новые горизонты для вычислений.
Существуют два основных типа сверхпроводящих кубитов:
Сверхпроводящий кубит реализует квантовые логические операции с высокой точностью, что делает его важным элементом в построении квантовых компьютеров.
SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) — это сверхпроводящее устройство, использующее квантовое явление интерференции для измерения магнитных полей с исключительной точностью. SQUID основан на принципе квантовой интерференции, где два пути, проходящие через сверхпроводник, создают интерференцию при изменении магнитного потока.
SQUID имеет важное значение в экспериментальной физике, так как позволяет измерять магнитные поля на уровне атомных величин, что используется в магнитометре и других высокоточных измерительных приборах. Он активно применяется в медицинской диагностике (например, в магнитно-резонансной томографии), а также для изучения свойств материалов на квантовом уровне.
Сверхпроводящие квантовые каскады — это многоуровневые квантовые устройства, в которых сигналы могут передаваться через несколько сверхпроводящих элементов, которые связаны с помощью туннельных переходов. Эти устройства используются для создания сложных квантовых цепей, которые могут поддерживать и манипулировать квантовыми состояниями на несколько уровней энергии.
Сверхпроводящие каскады могут использоваться для реализации квантовых вычислений, а также для создания сложных квантовых симуляторов, способных моделировать сложные квантовые системы.
Основной физический принцип, лежащий в основе работы сверхпроводящих квантовых устройств, заключается в квантовом туннелировании — явлении, при котором частица может «переходить» через потенциальные барьеры, даже если классически она не обладает достаточной энергией для этого. Этот эффект имеет ключевое значение для работы таких устройств, как туннельные диоды и квантовые интерферометры.
Кроме того, в сверхпроводящих устройствах важно взаимодействие между электронами, которые образуют куперовские пары. Эти пары обладают уникальными свойствами, такими как долговечность в сверхпроводящих материалах, что позволяет им долго сохранять свои квантовые состояния.
Сверхпроводящие квантовые устройства находят широкое применение в различных областях, таких как:
Сверхпроводящие квантовые устройства находятся на переднем крае современных исследований в области квантовых технологий. Тем не менее, существуют несколько проблем, которые необходимо решить для их повсеместного применения:
В будущем развитие новых материалов, улучшение технологий охлаждения и методов борьбы с декогеренцией могут значительно расширить области применения сверхпроводящих квантовых устройств и ускорить прогресс в квантовых вычислениях и других сферах.