Jigang Wang bot einen kurzen Rundgang durch eine neue Art von Mikroskop, das Forschern helfen kann, das Innenleben von Quantencomputern zu verstehen – und letztendlich zu entwickeln.
Wang, Professor für Physik und Astronomie an der Iowa State University, der auch dem Ames National Laboratory des US-Energieministeriums angehört, beschrieb, wie das Instrument in extremen Raum-, Zeit- und Energieskalen funktioniert – Milliardstel Meter, Billiardstel Sekunden und Billionen von elektromagnetischen Wellen pro Sekunde.
Wang wies auf die Steuersysteme hin und erklärte sie, die Laserquelle, das Labyrinth aus Spiegeln, die einen optischen Weg für Lichtpulse mit Billionen von Zyklen pro Sekunde bilden, den supraleitenden Magneten, der den Probenraum umgibt, das maßgefertigte Rasterkraftmikroskop, das hellgelber Kryostat, der die Probentemperatur auf die Temperatur von flüssigem Helium senkt, etwa -450 Grad Fahrenheit.
Wang nennt das Instrument ein kryogenes Magneto-Terahertz-Raster-Nahfeld-Lichtmikroskop. (Das ist kurz cm-SNOM.) Es hat seinen Sitz in der Sensitive Instrument Facility des Ames National Laboratory, gleich nordwestlich des Campus der Iowa State.
Es dauerte fünf Jahre, um das Instrument zu bauen. Es sammelt seit weniger als einem Jahr Daten und trägt zu Experimenten bei.
„Niemand hat es“, sagte Wang über das extrem große Nanoskop. „Es ist das erste auf der Welt.“
Es kann bis auf etwa 20 Nanometer oder 20 Milliardstel Meter fokussieren, während es unter Temperaturen von flüssigem Helium und in starken Tesla-Magnetfeldern betrieben wird. Das ist klein genug, um die supraleitenden Eigenschaften von Materialien in diesen extremen Umgebungen abzulesen.
Supraleiter sind Materialien, die Elektrizität – Elektronen – ohne Widerstand oder Wärme leiten, im Allgemeinen bei sehr niedrigen Temperaturen. Supraleitende Materialien haben viele Anwendungen, einschließlich medizinischer Anwendungen wie MRI-Scans und als magnetische Rennbahnen für die geladenen subatomaren Teilchen, die durch Beschleuniger wie den Large Hadron Collider rasen.
Jetzt werden supraleitende Materialien für Quantencomputing in Betracht gezogen, die aufstrebende Generation von Rechenleistung, die auf der Mechanik und Energie auf atomarer und subatomarer Ebene der Quantenwelt basiert. Supraleitende Quantenbits oder Qubits sind das Herzstück der neuen Technologie. Eine Strategie zur Kontrolle von Suprastromflüssen in Qubits ist die Verwendung starker Lichtwellenpulse.
„Die Supraleitungstechnologie ist ein wichtiger Schwerpunkt für Quantencomputer“, sagte Wang. „Also müssen wir die Supraleitung verstehen und charakterisieren und wie sie mit Licht gesteuert wird.“
Das macht das cm-SNOM-Instrument. Wie in einem Forschungsbericht beschrieben, der gerade von der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturphysik und ein Preprint-Papier, das an die gesendet wurde arXiv Website führen Wang und ein Forscherteam die ersten Ensemble-Durchschnittsmessungen des Suprastromflusses in Supraleitern auf Eisenbasis im Terahertz-Energiebereich (Billionen von Wellen pro Sekunde) und die erste cm-SNOM-Aktion durch, um Terahertz-Suprastrom-Tunnelung in einem Hochfrequenzbereich zu erkennen. Temperatur, kupferbasierter Cuprat-Supraleiter.
„Dies ist eine neue Methode, um die Reaktion der Supraleitung auf Lichtwellenimpulse zu messen“, sagte Wang. „Wir verwenden unsere Werkzeuge, um während Terahertz-Zyklen eine neue Sicht auf diesen Quantenzustand im Nanometerbereich zu bieten.“
Ilias Perakis, Professor und Lehrstuhlinhaber für Physik an der University of Alabama in Birmingham, ein Mitarbeiter dieses Projekts, der das theoretische Verständnis der lichtgesteuerten Supraleitung entwickelt hat, sagte: „Durch die Analyse der neuen experimentellen Datensätze können wir fortschrittliche Tomographiemethoden entwickeln für Beobachtung von quantenverschränkten Zuständen in lichtgesteuerten Supraleitern.“
Das Papier der Forscher berichtet, dass „die Wechselwirkungen, die in der Lage sind, diese Supraströme anzutreiben“, „immer noch schlecht verstanden sind, teilweise aufgrund des Mangels an Messungen“.
Jetzt, da diese Messungen auf Ensemble-Ebene stattfinden, blickt Wang auf die nächsten Schritte zur Messung der Suprastrom-Existenz mit dem cm-SNOM auf simultaner Nanometer- und Terahertz-Skala. Seine Gruppe sucht nach Möglichkeiten, das neue Instrument noch präziser zu machen. Könnten die Messungen so präzise sein, dass sie das Tunneln von Supraströmen an einzelnen Josephson-Übergängen sichtbar machen, die Bewegung von Elektronen über eine Barriere, die zwei Supraleiter trennt?
„Wir müssen wirklich bis auf dieses Niveau heruntermessen, um die Optimierung von Qubits für Quantencomputer zu beeinflussen“, sagte er. „Das ist ein großes Ziel. Und das ist jetzt nur ein kleiner Schritt in diese Richtung. Es ist ein Schritt nach dem anderen.“
Mehr Informationen:
L. Luo et al, Quantenkohärenztomographie der lichtgesteuerten Supraleitung, Naturphysik (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01827-1
Richard HJ Kim et al., Cryogenic Magneto-Terahertz Scanning Near-field Optical Microscope (cm-SNOM), arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2210.07319