Un nuovo strumento misura il flusso di supercorrente, i dati hanno applicazioni nell'informatica quantistica • Servizio notizie • Iowa State University

Pubblicato il 2 dic 2022 00:00

Jigang Wang con il suo microscopio ottico criogenico a scansione magneto-terahertz a campo vicino. (In breve cm-SNOM.) Lo strumento funziona su scale estreme di spazio, tempo ed energia. Le sue prestazioni rappresentano un passo avanti verso l’ottimizzazione dei bit quantistici superconduttori che saranno il cuore dell’informatica quantistica. Foto più grande. Foto di Christopher Gannon/Iowa State University.

AMES, Iowa – Jigang Wang ha offerto una rapida panoramica di un nuovo tipo di microscopio che può aiutare i ricercatori a comprendere, e in definitiva a sviluppare, il funzionamento interno dell’informatica quantistica.

Wang, professore di fisica e astronomia della Iowa State University, affiliato anche all'Ames National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha descritto come lo strumento funziona su scale estreme di spazio, tempo ed energia: miliardesimi di metro, quadrilionesi di secondo e trilioni. di onde elettromagnetiche al secondo.

Wang ha sottolineato e spiegato i sistemi di controllo, la sorgente laser, il labirinto di specchi che formano un percorso ottico per la luce che pulsa a trilioni di cicli al secondo, il magnete superconduttore che circonda lo spazio campione, il microscopio a forza atomica realizzato su misura, il criostato giallo brillante che abbassa la temperatura del campione fino alla temperatura dell'elio liquido, circa -450 gradi Fahrenheit.

Un labirinto di specchi crea un percorso ottico.

Wang chiama lo strumento un microscopio ottico criogenico a scansione magneto-terahertz a campo vicino. (In breve cm-SNOM.) Ha sede presso il Sensitive Instrument Facility dell'Ames National Laboratory, appena a nord-ovest del campus dell'Iowa State.

Ci sono voluti cinque anni e 2 milioni di dollari – 1,3 milioni di dollari dalla WM Keck Foundation di Los Angeles (vedi sotto) e 700.000 dollari dall’Iowa State e dall’Ames National Laboratory – per costruire lo strumento. Raccoglie dati e contribuisce agli esperimenti da meno di un anno.

"Nessuno ce l'ha", ha detto Wang del nanoscopio su scala estrema. "È il primo al mondo."

Può concentrarsi fino a circa 20 nanometri, o 20 miliardesimi di metro, mentre opera al di sotto della temperatura dell'elio liquido e in forti campi magnetici di Tesla. È abbastanza piccolo da poter leggere le proprietà superconduttrici dei materiali in questi ambienti estremi.

I superconduttori sono materiali che conducono elettricità – elettroni – senza resistenza o calore, generalmente a temperature molto fredde. I materiali superconduttori hanno molti usi, comprese applicazioni mediche come le scansioni MRI e come piste magnetiche per le particelle subatomiche cariche che sfrecciano attorno ad acceleratori come il Large Hadron Collider.

Ora i materiali superconduttori vengono presi in considerazione per l’informatica quantistica, la generazione emergente di potenza di calcolo basata sulla meccanica e sulle energie su scala atomica e subatomica del mondo quantistico. I bit quantici superconduttori, o qubit, sono il cuore della nuova tecnologia. Una strategia per controllare i flussi di supercorrente nei qubit consiste nell’utilizzare forti impulsi di onde luminose.

"La tecnologia dei superconduttori è uno degli obiettivi principali dell'informatica quantistica", ha affermato Wang. "Quindi, dobbiamo comprendere e caratterizzare la superconduttività e come viene controllata con la luce."

Ed è proprio ciò che fa lo strumento cm-SNOM. Come descritto in un articolo di ricerca appena pubblicato dalla rivista Nature Physics e in un documento prestampato pubblicato sul sito web arXiv (vedi barre laterali), Wang e un team di ricercatori stanno effettuando le prime misurazioni medie d'insieme del flusso di supercorrente nei superconduttori a base di ferro a terahertz. (trilioni di onde al secondo) e la prima azione cm-SNOM per rilevare il tunneling della supercorrente terahertz in un superconduttore cuprato a base di rame ad alta temperatura.

"Questo è un nuovo modo per misurare la risposta della superconduttività agli impulsi delle onde luminose", ha detto Wang. "Stiamo utilizzando i nostri strumenti per offrire una nuova visione di questo stato quantistico su scala nanometrica durante i cicli terahertz."

Ilias Perakis, professore e titolare della cattedra di fisica presso l'Università dell'Alabama a Birmingham, un collaboratore di questo progetto che ha sviluppato la comprensione teorica della superconduttività controllata dalla luce, ha affermato: "Analizzando i nuovi set di dati sperimentali, possiamo sviluppare metodi tomografici avanzati per osservando gli stati entangled quantistici nei superconduttori controllati dalla luce."