Управляемое расщепление одной куперовской пары в гибридных системах квантовых точек
Исследователи из Делфтского технологического университета (TU Delft) недавно продемонстрировали контролируемое расщепление медной пары на два составляющих ее электрона в гибридной системе квантовых точек, удерживая их после разделения. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, может открыть новые возможности для изучения сверхпроводимости и запутанности в системах квантовых точек. Благодаря своей уникальной конструкции и отсутствию электрических контактов, в гибридной системе квантовых точек не протекает электрический ток. Когда учёные «вытолкнули» одну куперовскую пару из сверхпроводника, электроны оказались изолированными на квантовых точках. Таким образом исследователи смогли удержать расщепленные электроны, которые ранее были частью одной куперовской пары.
Абстрактная схема двух типов разветвителей пар Купера. Обычный разветвитель куперовских пар (включая блеклые части диаграммы) состоит из сверхпроводящего контакта, отделенного от двух обычных металлических контактов двумя квантовыми точками. Когда через цепь подается ток, куперовские пары вынуждаются квантовыми точками разделяться, прежде чем покинуть устройство в металлических контактах. В нашем подходе (без выцветших частей) контактов нет и сверхпроводник представляет собой изолированный кусок материала. Прикладывая к квантовым точкам электрические поля с напряжениями V_L и V_R, мы можем притягивать к точкам электроны, расщепляя куперовскую пару, после чего электроны стабильно остаются на точках.
Авторы и права: де Йонг и др.
Куперовы пары — это пары электронов в сверхпроводящих материалах, которые связаны друг с другом при низких температурах. Эти электронные пары лежат в основе сверхпроводимости — состояния, при котором материалы имеют нулевое сопротивление при низких температурах из-за квантовых эффектов. Как квантовые системы, которые могут быть относительно большими и простыми в манипулировании, сверхпроводники очень полезны для разработки квантовых компьютеров и других передовых технологий.
Исследователи из Делфтского технологического университета (TU Delft) недавно продемонстрировали контролируемое расщепление медной пары на два составляющих ее электрона в гибридной системе квантовых точек, удерживая их после разделения. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, может открыть новые возможности для изучения сверхпроводимости и запутанности в системах квантовых точек.
«Это исследование было мотивировано тем фактом, что куперовские пары, фундаментальные ингредиенты сверхпроводимости, которые проводят электрический ток без сопротивления, образованы парами электронов, которые, как ожидается, будут идеально квантово запутаны», — сказал Кристиан Проско, один из авторов исследования.
«Предыдущие работы многочисленных исследовательских групп были направлены на расщепление куперовских пар на два составляющих их электрона, чтобы проверить эту запутанность, но мы надеялись развить эти эксперименты, изготовив устройство, в котором можно было бы «удерживать» два электрона после расщепления паре, чтобы продолжить исследование их свойств».
Хотя исследователи определили несколько способов проверить, являются ли две частицы квантово запутанными, сохранение частиц после их разделения может значительно ускорить эти усилия. Лаборатория Лео П. Кувенховена в Делфтском техническом университете специализируется на методах, использующих микроволновые резонаторы для исследования движения электронов, что позволяет управлять электронами в устройствах без необходимости пропускания через них электрических токов.
«В нашем случае мы удерживаем их, гарантируя, что они застрянут в квантовых точках, областях полупроводникового материала, предназначенных для того, чтобы вести себя как ящик для хранения электронов», — сказал Проско.
«В то же время мы хотели продемонстрировать метод фактического обнаружения момента разделения куперовской пары, поэтому мы разработали детектор из квантовых точек, который может определять, когда отдельный электрон прыгает на нее или с нее. Я должен отметить вот что примерно во время этой работы другая группа наблюдала расщепление одиночных куперовских пар».
Исследователи из Делфтского технологического университета (TU Delft) недавно продемонстрировали контролируемое расщепление медной пары на два составляющих ее электрона в гибридной системе квантовых точек, удерживая их после разделения. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, может открыть новые возможности для изучения сверхпроводимости и запутанности в системах квантовых точек. Благодаря своей уникальной конструкции и отсутствию электрических контактов, в гибридной системе квантовых точек не протекает электрический ток. Когда учёные «вытолкнули» одну куперовскую пару из сверхпроводника, электроны оказались изолированными на квантовых точках. Таким образом исследователи смогли удержать расщепленные электроны, которые ранее были частью одной куперовской пары.
Измеренный сдвиг резонансной частоты микроволнового резонатора, связанного со сверхпроводником в нашем устройстве, в зависимости от напряжения, приложенного к окружающим квантовым точкам. Частота меняется, когда электроны движутся вперед и назад между точками и сверхпроводником. Двигаясь по линии между двумя ромбовидными деталями на диаграмме, одна куперовская пара расщепляется, и ее электроны переходят к квантовым точкам, что показано на рисунке, наложенном на данные измерений.
Авторы и права: де Йонг и др.
Обычные устройства для расщепления электронов, связанных в куперовские пары, состоят из электрического контакта на основе сверхпроводника и двух обычных металлических контактов, разделенных квантовыми точками. Квантовые точки обычно получают только один электрон за раз, тогда как электрический ток, протекающий через полупроводники, переносится электронными куперовскими парами.
«Если вы пропустите ток между сверхпроводником и металлическими контактами, у куперовских пар не останется иного выбора, кроме как расщепиться, чтобы пройти через квантовые точки к другим металлическим выводам вашей схемы», — объяснил Проско. «В нашем случае мы заменили сверхпроводящий провод изолированным куском сверхпроводника и полностью избавились от электрических контактов. Приложив электрические поля к квантовым точкам и сверхпроводнику, мы смогли «вытолкнуть» одну куперовскую пару из сверхпроводника, заставляя его разделиться на две квантовые точки».
Благодаря своей уникальной конструкции и отсутствию электрических контактов, в гибридной системе квантовых точек, созданной Проско и его коллегами, через нее не протекает электрический ток. Когда они «вытолкнули» одну куперовскую пару из сверхпроводника, электроны оказались изолированными на квантовых точках. Благодаря этому процессу исследователи смогли удержать расщепленные электроны, которые ранее были частью одной куперовской пары.
«Наша недавняя работа состояла из двух частей: разделение одной куперовской пары и удержание полученных электронов, а также отдельная демонстрация метода обнаружения одиночных электронов, прыгающих на квантовую точку, без внешних датчиков заряда», — сказал Проско. «Эти два достижения вместе позволили бы вызывать события разделения куперовских пар и обнаруживать возникающие электроны в реальном времени, приближая нас на один шаг ближе к тестированию квантовой запутанности электронов, которая так важна для сверхпроводимости».
Некоторые из авторов этой статьи уже защитили докторскую диссертацию в Делфтском техническом университете и начал работать в других институтах и компаниях. В будущем эти исследователи и другие студенты, которые все еще работают в лаборатории Кувенховена, продолжат исследовать сверхпроводимость, квантовую запутанность и квантовые вычисления.
«Мы надеемся, что наши исследовательские группы продолжат сочетать метод разделения одиночной пары Купера с датчиками четности, которые также могут обнаруживать магнитный спин электронов», — добавил Проско.
«Это позволило бы проверить неравенство Белла, где мы могли бы убедиться, что электроны в сверхпроводниках действительно квантово запутаны. Подобные тесты были проведены на электронах в полупроводниковых кубитах. С другой стороны, наша исследовательская группа очень интересовалась куперовской парой и недавно появились сплиттеры как способ создания особенно надежных кубитов из экзотических так называемых «связанных состояний Майораны», и эти кубиты могут быть более эффективными, если использовать наш подход, заключающийся в избавлении от некоторых ведущих контактов».
