Международная группа российских и германских исследователей совершила прорыв в создании материалов, обладающих недостижимыми в природе свойствами. Ученые Национального исследовательского технологического университета "МИСиС", Университета Карлсруэ (Германия) и Йенского института фотонных технологий (Германия) под руководством главы лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС" профессора Алексея Устинова впервые в мире создали так называемые "зеркальные" кубиты, а также метаматериал на их основе. Это первый в мире квантовый метаматериал, который можно использовать в качестве элемента управления в сверхпроводящих электрических схемах. Результаты работы опубликованы в журнале "Nature Communications".

Метаматериалы - это вещества, свойства которых определяются не столько атомами, из которых они состоят, сколько тем, в какие структуры эти самые атомы собраны. Каждая такая структура (они получили название "мета-атом") имеет размеры в сотни десятки или даже сотни нанометров и обладает собственным набором свойств, исчезающих при попытке разделить её на составляющие.

До недавнего времени одно из принципиальных отличий атомов от мета-атомов состояло в том, что свойства обычных атомов описывались уравнениями квантовой механики, а мета-атомов - классическими физическими уравнениями.

Создание кубитов (наименьших элементов для хранения информации в квантовом компьютере) привело к появлению потенциальной возможности сконструировать материал, состоящий из мета-атомов, состояние которых описывается только квантовомеханически. Правда, такая работа потребовала создания особенных кубитов.

"Обычный кубит состоит из схемы, в которую входит три джозефсонских перехода, - поясняет научный сотрудник лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС" Кирилл Шульга. - А в состав зеркального входят пять переходов, симметричных относительно центральной оси. Зеркальные кубиты задумывались нами как более сложная система, нежели обычные сверхпроводящие кубиты. Логика тут проста: у искусственно усложненной системы с большим числом степеней свободы присутствует большее число факторов, которые могут влиять на её свойства. Меняя некие внешние параметры среды, в которой находится наш метаматериал, можно эти свойства включать и выключать, переводя зеркальный кубит из одного основного состояния с одними свойствами в другое".

В ходе эксперимента оказалось, что весь метаматериал, состоящий из зеркальных кубитов, может переключаться между двумя режимами. В одном из режимов цепочка таких кубитов очень хорошо пропускает электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне, при этом оставаясь квантовым элементом. В другом она поворачивает сверхпроводящую фазу на 180 градусов и запирает прохождение электромагнитных волн через себя. Важно, что при этом она остаётся квантовой системой.

Микрофотография цепочки зеркальных кубитов. В нижней части - разрешение в 20 микрон на см, в верхней - 5 микрон на см. Кружочками обозначены джозефсоновские переходы, входящие в один зеркальный кубит / © Пресс-служба НИТУ "МИСиС"

"Получается, что при помощи магнитного поля такой материал можно использовать как управляющий элемент в системах передачи квантовых сигналов (отдельных фотонов) в цепях, из которых состоят развивающиеся сейчас квантовые компьютеры", - комментирует инженер лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС" Илья Беседин. - Это один из ключевых элементов в сверхпроводниковых электронных устройствах".

Точно просчитать свойства одного зеркального кубита на обычном компьютере сложнее, чем обычного кубита. Усложнив такой кубит ещё в несколько раз, можно достигнуть предела сложности, уже близкого или превосходящего возможности современных электронных компьютеров. Такую сложную систему можно использовать как квантовый симулятор, то есть устройство, способное предсказать и смоделировать свойства некого реального процесса или материала.

Авторам исследования пришлось перебрать множество теорий, чтобы правильно описать процессы, происходящие в квантовом мета-материале. Итогом размышлений стала статья "Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits", опубликованная в престижном журнале "Nature Communications".