Newswise — AMES, Айова — Джиганг Ван предложил краткий обзор микроскопа нового типа, который может помочь исследователям понять и, в конечном счете, разработать внутреннюю работу квантовых вычислений.
Ван, профессор физики и астрономии Университета 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, квадриллионные доли секунды и триллионы. электромагнитных волн в секунду.
Ван показал и объяснил системы управления, лазерный источник, лабиринт зеркал, образующих оптический путь для света, пульсирующего триллионами циклов в секунду, сверхпроводящий магнит, окружающий пространство для образца, изготовленный на заказ атомно-силовой микроскоп, ярко-желтый криостат, который снижает температуру образца до температуры жидкого гелия, около -450 градусов по Фаренгейту.
Ван называет этот прибор криогенным магнитотерагерцовым сканирующим оптическим микроскопом ближнего поля. (Для краткости это cm-SNOM.) Он базируется в Центре чувствительных инструментов Национальной лаборатории Эймса к северо-западу от кампуса штата Айова.
На создание прибора ушло пять лет и 2 миллиона долларов — 1,3 миллиона долларов от Фонда В. М. Кека в Лос-Анджелесе и 700 000 долларов от штата Айова и Национальной лаборатории Эймса. Он собирал данные и участвовал в экспериментах менее года.
«Ни у кого его нет», — сказал Ван о сверхмасштабном наноскопе. — Это первое в мире.
Он может фокусироваться примерно до 20 нанометров или 20 миллиардных долей метра, работая при температурах ниже гелиевых и в сильных магнитных полях Теслы. Этого достаточно, чтобы получить представление о сверхпроводящих свойствах материалов в этих экстремальных условиях.
Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество — электроны — без сопротивления или тепла, как правило, при очень низких температурах. Сверхпроводящие материалы имеют множество применений, включая медицинские приложения, такие как МРТ, и в качестве магнитных дорожек для заряженных субатомных частиц, движущихся вокруг ускорителей, таких как Большой адронный коллайдер.
Теперь сверхпроводящие материалы рассматриваются для квантовых вычислений, нового поколения вычислительной мощности, основанной на механике и энергиях в атомном и субатомном масштабах квантового мира. Сверхпроводящие квантовые биты, или кубиты, являются сердцем новой технологии. Одна из стратегий управления потоками сверхтоков в кубитах — использование сильных импульсов световых волн.
«Сверхпроводящая технология является основным направлением квантовых вычислений, — сказал Ван. «Итак, нам нужно понять и охарактеризовать сверхпроводимость и то, как она управляется светом».
Именно это и делает прибор cm-SNOM. Как описано в исследовательской статье, только что опубликованной в журнале Nature Physics, и в препринте, размещенном на веб-сайте arXiv (см. врезки), Ван и группа исследователей проводят первые средние по ансамблю измерения потока сверхтоков в сверхпроводниках на основе железа в терагерцовом диапазоне. (триллионы волн в секунду) энергетические масштабы и первое действие cm-SNOM для обнаружения туннелирования терагерцового сверхтока в высокотемпературном купратном сверхпроводнике на основе меди.
«Это новый способ измерения отклика сверхпроводимости на импульсы световых волн», — сказал Ван. «Мы используем наши инструменты, чтобы предложить новый взгляд на это квантовое состояние в нанометровых масштабах во время терагерцовых циклов».
Илиас Перакис, профессор и заведующий кафедрой физики Университета Алабамы в Бирмингеме, сотрудничающий с этим проектом и разработавший теоретическое понимание управляемой светом сверхпроводимости, сказал: «Анализируя новые наборы экспериментальных данных, мы можем разработать передовые методы томографии для наблюдения квантово-запутанных состояний в сверхпроводниках, управляемых светом».
В статье исследователей сообщается, что «взаимодействия, способные управлять» этими сверхтоками, «все еще плохо изучены, частично из-за отсутствия измерений».
Теперь, когда эти измерения проводятся на ансамблевом уровне, Ван ожидает следующих шагов по измерению существования сверхтоков с использованием см-SNOM одновременно в нанометровом и терагерцовом масштабах. При поддержке Центра сверхпроводящих квантовых материалов и систем, возглавляемого Национальной ускорительной лабораторией Ферми Министерства энергетики США в Иллинойсе, его группа ищет способы сделать новый инструмент еще более точным. Могут ли измерения достичь точности визуализации туннелирования сверхтоков в отдельных джозефсоновских контактах, движения электронов через барьер, разделяющий два сверхпроводника?
«Нам действительно нужно дойти до этого уровня, чтобы повлиять на оптимизацию кубитов для квантовых компьютеров», — сказал он. «Это большая цель. И это сейчас только маленький шаг в этом направлении. Это шаг за шагом».
– 30 –
Читать газеты
«Квантовая когерентная томография сверхпроводимости, управляемой светом», Nature Physics, 5 декабря 2022 г.
«Криогенный магнито-терагерцовый сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (cm-SNOM)», arXiv, 13 октября 2022 г.
Исследователи
Соответствующий автор: Джиган ВанУниверситет штата Айова и Национальная лаборатория Эймса
Первые авторы: Лян Луоштат Айова и национальная лаборатория Эймса; Мартин Мутсштата Айова и Национальной лаборатории Эймса, ранее находившейся в Университете Алабамы в Бирмингеме; Чон-Хун Канранее работавший в Университете Висконсин-Мэдисон, теперь в Пхоханском университете науки и технологий в Южной Корее.
Соавторы: Чуанкун Хуангштат Айова и национальная лаборатория Эймса; Чираг Васваниранее принадлежавший штату Айова и Национальной лаборатории Эймса, ныне Корнельский университет в Нью-Йорке; Ки-Тэ ОмВисконсин; Юнг-Ву ЛиВисконсин; Йесуса Коллантес; Университет штата Флорида; Эрик Хеллстремштат Флорида; Илиас Перакис, Алабама в Бирмингеме; а также Чан Бом ЭомВисконсин
см-SNOM операции: Ричард Х. Дж. Ким, Джун-Мок Парк, Сэмюэл Дж. Хаузер, Лян Луо и Джиган Ван, штат Айова и Национальная лаборатория Эймса
—
О Фонде В. М. Кека
Фонд В. М. Кека был основан в 1954 году в Лос-Анджелесе Уильямом Майроном Кеком, основателем The 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.
