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  • 量子效应的量子计算机,在高温超导体加持下,或将迎来重大突破

    为什么要开发一种可以解决很大问题的量子计算机?因为经典计算机要么付出很大努力,要么根本不能解决。这是目前全球越来越多研究团队正在追求的目标。原因是:量子效应源于微小的量子粒子,使许多新的技术应用成为可能。所谓的超导纳米结构,能根据量子力学定律处理信息和信号,被认为是实现量子计算机很有前途的元器件。

    量子效应的量子计算机,在高温超导体加持下,或将迎来重大突破

    然而,超导纳米结构的一个症结是,它们只能在非常低的温度下工作,因此很难投入实际应用。明斯特大学大学和于利希研究中心的研究人员,现在首次证明了由高温超导体制成的纳米线能量量子化,在这种纳米线中,温度升高到量子力学效应占主导地位的温度以下。然后,超导纳米线只假定可以用来编码信息的选定能量状态。在高温超导体中,研究人员还首次观察到了单个光子的吸收,这是一种用来传递信息的轻粒子。

    量子效应的量子计算机,在高温超导体加持下,或将迎来重大突破

    研究负责人、明斯特大学物理研究所的卡斯滕·舒克(Carsten Schuck)教授强调:一方面,研究结果有助于未来在量子技术中使用相当简化的冷却技术,另一方面,为我们提供了对超导状态及其动力学过程的全新见解,此前这些过程仍然不清楚。因此,这一结果可能与新型计算机技术的发展有关,其研究成果已发表在《自然通讯》期刊上。

    背景和方法

    科学家们使用了由钇、钡、氧化铜和氧元素制成的超导纳米结构(简称YBCO),用这些超导体制造了几根纳米细丝。当这些结构传导电流时,称为“相位滑移”的物理动力学就会发生。在超导纳米结构纳米线的情况下,电荷载流子密度的波动,会引起超导电流的变化。研究人员在低于20开尔文(相当于零下253摄氏度)的温度下研究了纳米线中的过程。结合模型计算,研究展示了纳米线中能量状态的量子化。

    量子效应的量子计算机,在高温超导体加持下,或将迎来重大突破

    发现导线进入量子态的温度是12到13开尔文,这个温度比通常使用材料所需的温度高几百倍。这使得科学家们能够生产出寿命更长的谐振器,即调谐到特定频率的振荡系统,并更长时间地保持量子力学状态,这是越来越大量子计算机长期发展的前提。对于量子技术的发展,但也有可能用于医疗诊断的更重要组件,是甚至可以记录单光子的探测器。

    高温超导体中单光子的吸收

    卡斯滕·舒克(Carsten Schuck)在明斯特大学的研究小组几年来,一直致力于开发这种基于超导体的单光子探测器。世界各地的科学家十多年来一直试图用高温超导体来实现已经在低温下工作得很好的东西。在用于研究的超导纳米结构纳米线中,这一尝试现在首次成功,新研究发现为新的实验验证理论描述和技术发展铺平了道路。

    量子效应的量子计算机,在高温超导体加持下,或将迎来重大突破

    博科园|研究/来自:明斯特大学

    参考期刊《自然通讯》

    DOI: 10.1038/s41467-020-14548-x

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