新仪器测量超电流数据在量子计算中有应用

艾姆斯，爱荷华州——Jigang Wang 提供了一种新型显微镜的快速演示，这种显微镜可以帮助研究人员理解并最终开发量子计算的内部工作原理。

Wang 是爱荷华州立大学物理学和天文学教授，同时也是能源部艾姆斯国家实验室的成员，他描述了该仪器如何在空间、时间和能量的极端尺度下工作——十亿分之一米、千万亿分之一秒和万亿每秒的电磁波。

王指出并解释了控制系统、激光源、以每秒数万亿周期的速度为光脉冲形成光路的镜子迷宫、围绕样品空间的超导磁体、定制的原子力显微镜、亮黄色低温恒温器，可将样品温度降低至液氦温度，约 -450 华氏度。

王称该仪器为低温磁太赫兹扫描近场光学显微镜。(简称为 cm-SNOM。)它位于艾姆斯国家实验室的敏感仪器设施，就在爱荷华州立大学校园西北部。

建造这台仪器花了五年时间和 200 万美元——其中 130 万美元来自洛杉矶 WM Keck 基金会，70 万美元来自爱荷华州立大学和艾姆斯国家实验室。在不到一年的时间里，它一直在收集数据并为实验做出贡献。

“没有人拥有它，”王谈到极端尺度的纳米显微镜时说。“这是世界上第一个。”

它可以聚焦到约 20 纳米，或 20 亿分之一米，同时在低于液氦温度和强特斯拉磁场中运行。这足够小，可以了解这些极端环境中材料的超导特性。

超导体是导电的材料——电子——没有电阻或热量，通常在非常冷的温度下。超导材料有许多用途，包括 MRI 扫描等医学应用，以及作为带电亚原子粒子在大型强子对撞机等加速器周围加速的磁性跑道。

现在，人们正在考虑将超导材料用于量子计算，这是基于量子世界原子和亚原子尺度的力学和能量的新一代计算能力。超导量子位或量子位是新技术的核心。控制量子比特中超电流的一种策略是使用强光波脉冲。

“超导技术是量子计算的主要关注点，”Wang 说。“所以，我们需要了解和描述超导性以及它是如何被光控制的。”

这就是 cm-SNOM 仪器正在做的事情。正如《自然物理学》杂志刚刚发表的一篇研究论文和发布在 arXiv 网站上的一篇预印本论文(见侧边栏)所述，Wang 和一组研究人员正在对铁基超导体中的超电流进行首次整体平均测量，测量频率为太赫兹(每秒万亿波)能量尺度和第一个 cm-SNOM 动作，用于检测高温铜基铜酸盐超导体中的太赫兹超电流隧穿。

“这是一种测量光波脉冲下超导响应的新方法，”Wang 说。“我们正在使用我们的工具在太赫兹周期内以纳米长度尺度提供这种量子态的新观点。”

阿拉巴马大学伯明翰分校物理学教授兼主席 Ilias Perakis 是该项目的合作者，他开发了对光控超导性的理论理解，他说：“通过分析新的实验数据集，我们可以开发先进的层析成像方法，用于观察受光控制的超导体中的量子纠缠态。”

研究人员的论文报告说，“能够驱动”这些超电流的相互作用“仍然知之甚少，部分原因是缺乏测量。”

现在这些测量是在整体水平上进行的，Wang 正在展望下一步，使用 cm-SNOM 同时在纳米和太赫兹尺度上测量超电流的存在。在能源部位于伊利诺伊州的费米国家加速器实验室领导的超导量子材料和系统中心的支持下，他的团队正在寻找使新仪器更加精确的方法。测量能否达到在单个约瑟夫森结处可视化超电流隧穿的精度，即电子穿过分隔两个超导体的势垒的运动?

“我们真的需要测量到那个水平，以影响量子计算机的量子位优化，”他说。“这是一个很大的目标。而这只是朝那个方向迈出的一小步。一步一个脚印。”