Квантово когерентное управление и считывание состояний сверхпроводящих вихрей

Новый способ хранения квантовой информации

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, недоступные современным машинам, но их основные элементы — кубиты — хрупки и трудны в изготовлении. В этом исследовании обнаружен неожиданный новый вид кубита, скрывающийся прямо в сверхпроводящих материалах: крошечные завихрения магнитного поля, называемые вихрями, которые способны хранить квантовую информацию удивительно долго. Превращение того, что раньше считалось помехой, в полезный ресурс может открыть новые пути к более простым и надежным квантовым технологиям.

Когда сверхпроводники позволяют магнитизму просачиваться

Сверхпроводники известны тем, что вытесняют магнитные поля из своего объема — явление, лежащее в основе технологий от МРТ до высокочувствительных детекторов. Однако при достаточной внешней магнитной индукции поле может проникать в сверхпроводник отдельными нитевидными пучками, известными как вихри. В обычных материалах центр каждого вихря ведет себя как нормальный металл, вызывая трение и потери энергии при движении вихря. Поэтому вихри давно считались источником проблем, ухудшающих работу сверхпроводящих устройств и квантовых битов. Ключевой поворот, рассмотренный здесь, в том, что в сильно неупорядоченном зернистом сверхпроводнике — состоящем из многих крошечных зерен алюминия, разделенных тонкими изоляционными барьерами — внутренняя часть вихря может оставаться «с зазором» (gapped), то есть не склонной к рассеянию энергии. При таких условиях вихри перестают вести себя как классические объекты и начинают проявлять полностью квантовое поведение.

Преобразование вихрей в квантовые двухуровневые системы

Исследователи изготовили тонкий микроволновый резонатор из зернистого алюминия, охладили его до долей кельвина и подали небольшой магнитное поле при охлаждении. Эта процедура захватывает вихри в устройстве в определенных местах. Затем, изменяя магнитное поле и изучая микроволновый отклик резонатора, команда обнаружила явные признаки сильной связи резонатора с отчетливой настраиваемой двухуровневой системой — по сути квантовым объектом с основным и возбужденным состояниями, связанным с присутствием вихрей. Их можно было переводить между этими двумя состояниями короткими микроволновыми импульсами, как и в случае с обычным сверхпроводящим кубитом, а считывание состояния осуществлялось ненарушающим образом (quantum non-demolition), то есть без разрушения состояния.

Долговечные квантовые завихрения

Временные измерения показали, что эти состояния на основе вихрей сохраняют энергию сотни микросекунд, сопоставимые по времени жизни с некоторыми тщательно сконструированными кубитами, используемыми в современных ведущих экспериментах. Фазовая когерентность — свойство, позволяющее существовать квантовым суперпозициям — сохранялась в течение микросекунд и могла быть продлена с помощью эхо‑методов, компенсирующих медленные дрейфы среды. Статистические исследования по многим циклам охлаждения показали, что эти «вихревые кубиты» стабильны в течение часов и даже недель, хотя их микроскопическая конфигурация может меняться от одного охлаждения к другому, отражая разные расположения вихрей в зернистом ландшафте.

Ландшафт ловушек и квантовый туннелинг

Чтобы объяснить, как вихрь может вести себя как квантовая двухуровневая система, авторы смоделировали энергетический ландшафт внутри узкой сверхпроводящей полоски. Поскольку плёнка зерниста и неупорядочена, существует множество мелких «прилипательных» (pinning) сайтов, которые локально захватывают вихри. По мере изменения магнитного поля относительная глубина этих ловушек меняется, эффективно создавая потенциал с двумя ямами: два близких положения с низкой энергией, разделенные барьером. В окрестности особого «сладкого» значения поля две ямы становятся почти равными по энергии, и вихрь может квантово туннелировать между ними, а не перескакивать классически. В этом режиме вихрь уже не зафиксирован по одну сторону или другую; вместо этого его состояние является суперпозицией нахождения одновременно в обеих ловушках, образуя двухуровневую систему, которая связана с резонатором.

От нежелательных дефектов к полезным квантовым инструментам

Показав, что захваченные вихри в зернистом сверхпроводнике могут вести себя как управляемые долговременные квантовые биты, эта работа превращает давний недостаток сверхпроводящих устройств в возможность. Если базовая картина — туннелирование вихрей между соседними пиннинг‑сайтами в неупорядоченной сети, напоминающей джанкшен‑структуру — будет подтверждена будущими экспериментами по визуализации и спектроскопии, подобные вихревые кубиты могут быть реализованы в широком диапазоне материалов. Поскольку они возникают непосредственно из структуры сверхпроводника, такие состояния могут служить как встроенными зондами микроскопической неупорядоченности, так и элементами новой платформы для квантовой обработки информации и сверхчувствительного сенсинга.

Цитирование: 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

Ключевые слова: сверхпроводящие кубиты, зернистый алюминий, магнитные вихри, квантовая когерентность, квантовые материалы