Koherentna manipulacja i odczyt kwantowych stanów wirowych w nadprzewodnikach

Nowy sposób przechowywania informacji kwantowej

Komputery kwantowe obiecują rozwiązywać problemy poza zasięgiem współczesnych maszyn, jednak ich podstawowe elementy — kubity — są kruche i trudne do skonstruowania. Badanie to ujawnia niespodziewany nowy rodzaj kubita ukryty w samych materiałach nadprzewodzących: maleńkie wiry pola magnetycznego, zwane wirami, które mogą cicho przechowywać informację kwantową przez zaskakująco długie czasy. Przekształcenie czegoś, co do tej pory uważano za kłopot, w użyteczne zasoby może otworzyć nowe drogi do prostszych, bardziej odpornych technologii kwantowych.

Kiedy nadprzewodniki pozwalają magnetyzmowi się wślizgnąć

Nadprzewodniki słyną z wypychania pól magnetycznych ze swego wnętrza, zjawiska, które stoi za technologiami od rezonansu magnetycznego po czułe detektory. Gdy jednak przyłożone pole magnetyczne staje się wystarczająco silne, może przeniknąć nadprzewodnik w postaci dyskretnych, nitkowatych „pęczków” zwanych wirami. W zwykłych materiałach centrum każdego wira zachowuje się jak metal normalny, powodując tarcie i straty energii, gdy wir się porusza. Dlatego przez długi czas wiry postrzegano jako sprawców pogarszających wydajność urządzeń nadprzewodzących i kubitów. Kluczowy zwrot zaprezentowany tutaj polega na tym, że w silnie zdispergowanym, ziarnistym nadprzewodniku — złożonym z wielu drobnych ziarenek aluminium oddzielonych cienkimi barierami izolującymi — wnętrze wira może pozostać „otrzaskowane” (gapped), co oznacza, że nie rozprasza łatwo energii. W takich warunkach wiry mogą przestać zachowywać się klasycznie i zacząć wykazywać w pełni kwantowe właściwości.

Przekształcanie wirów w kwantowe układy dwustanowe

Naukowcy wykonali cienki rezonator mikrofalowy z granularnego glinu, schłodzili go do kilku tysięcznych stopnia powyżej zera bezwzględnego i zastosowali niewielkie pole magnetyczne podczas chłodzenia. Procedura ta uwięziła wiry w urządzeniu w określonych miejscach. Poprzez zmiany pola magnetycznego i badanie odpowiedzi mikrofalowej rezonatora zespół zaobserwował wyraźne sygnały świadczące o silnym sprzężeniu rezonatora z odrębnym, strojonym układem dwustanowym — zasadniczo obiektem kwantowym posiadającym tylko stan podstawowy i wzbudzony — związanym z obecnością wirów. Badacze mogli indukować przejścia między tymi dwoma stanami krótkimi impulsami mikrofalowymi, podobnie jak manipulowałoby się konwencjonalnym nadprzewodnikowym kubitem, oraz odczytywać stan w sposób go nie niszczący, znany jako pomiar kwantowo niedemolujący.

Wiry kwantowe o długim czasie życia

Pomiary czasowo-rozdzielcze wykazały, że te stany oparte na wirach zachowują swoją energię przez setki mikrosekund, dorównując czasom życia niektórych starannie zaprojektowanych kubitów używanych w czołowych eksperymentach. Koherencja fazowa — cecha umożliwiająca istnienie superpozycji kwantowych — utrzymywała się przez mikrosekundy i mogła być wydłużana za pomocą technik echa, które kompensują wolne dryfy środowiskowe. Badania statystyczne przeprowadzone w wielu cyklach chłodzenia wskazały, że te „kubity wirów” są stabilne przez godziny do tygodni, choć ich mikroskopowa konfiguracja może zmieniać się między kolejnymi chłodzeniami, odzwierciedlając różne rozmieszczenie wirów w ziarnistej strukturze.

Pejzaż pułapek i tunelowania kwantowego

Aby wyjaśnić, jak wir może działać jako kwantowy układ dwustanowy, autorzy modelowali, jak doświadcza on krajobrazu energetycznego wewnątrz wąskiego paska nadprzewodzącego. Ponieważ film jest ziarnisty i zaburzony, istnieje wiele drobnych miejsc „przypinających”, które lokalnie chwytają wiry. W miarę regulacji pola magnetycznego względna głębokość tych pułapek zmienia się, efektywnie tworząc potencjał o dwóch dołkach: dwie sąsiadujące pozycje o niskiej energii rozdzielone barierą. W pobliżu specjalnego pola „sweet spot” dwa dołki stają się prawie równe energetycznie i wir może tunelować mechanicznie kwantowo między nimi zamiast przeskakiwać klasycznie. W tym reżimie wir nie jest już ograniczony do jednej strony albo drugiej; jego stan jest superpozycją przebywania w obu pułapkach jednocześnie, tworząc układ dwustanowy sprzężony z rezonatorem.

Od niepożądanych defektów do użytecznych narzędzi kwantowych

Pokazując, że uwięzione wiry w ziarnistym nadprzewodniku mogą zachowywać się jako sterowalne, długożyjące kubity, praca ta przekształca długoletnią wadę urządzeń nadprzewodzących w szansę. Jeśli podstawowy obraz — tunelowanie wirów między pobliskimi miejscami przypinającymi w zdispergowanej, przypominającej złącza sieci — zostanie potwierdzony przez przyszłe eksperymenty obrazowania i spektroskopii, podobne kubity oparte na wirach mogą zostać zrealizowane w szerokim spektrum materiałów. Ponieważ powstają bezpośrednio z struktury nadprzewodnika, takie stany mogłyby służyć zarówno jako wbudowane sondy mikroskopowego zaburzenia, jak i jako elementy nowej, opartej na wirach platformy do przetwarzania informacji kwantowej i ultrasensytywnego wykrywania.

Cytowanie: Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

Słowa kluczowe: nadprzewodnikowe kubity, granularny glin, wirujące pola magnetyczne, koherencja kwantowa, materiały kwantowe