由双通量量子位构成的量子超材料。由嵌入共面波导中的15个双量子位阵列组成的超导量子超材料。显示了双通量量子位的SEM图像（上方）和整个结构（下方）。每个量子位由两个超导环路组成，它们共享一个公共的中心约瑟夫森结（ α 结）和位于环路外部的四个相同的约瑟夫森结。的 α -结允许磁通环之间的隧道。插图是单个亚原子的示意图-双通量量子位；显示了节点上的阶段。
由俄罗斯和德国科学家组成的国际团队在创建看似不可能的材料方面取得了突破。他们成功地创造了世界上第一个可用作超导电路控制元素的量子超材料。
超材料是一种物质，其性质与其所组成的原子无关，而取决于原子的结构排列。每个结构都有数百纳米，并且具有自己的一组特性，当科学家尝试将材料分离为其组成部分时，这些特性会消失。这就是为什么这种结构称为亚原子的原因（不要与门捷列夫周期表中的常见原子相混淆）。任何由超原子组成的物质都称为超材料。
直到最近，原子和超原子之间的另一个区别是，常规原子的性质是由量子力学方程式描述的，而超原子是由经典物理学方程式描述的。然而，量子位的产生导致了潜在的机会来构造由超原子组成的超材料，超原子的状态可以用量子力学来描述。但是，这项研究要求创建不寻常的量子位。
“由NUST MISIS，德国卡尔斯鲁厄理工学院和IPHT Jena（德国）组成的国际科学家团队由NUST MISIS超导超材料实验室负责人Alexey Ustinov教授领导，创造了世界上第一个称为“孪生”量子位，以及基于它的超材料。由于这种新材料的卓越性能，将有可能创造出超导电子设备中的关键元素之一。” NUST MISIS负责人Alevtina Chernikova说。
双量子位跃迁频率的磁场依赖性。 从等式的哈密顿量计算出的基态能量（ a ）和双量子位的跃迁能量 hf 01。（1）（ b ）。参数 α = 0.72和 C = 5.2 fF，约瑟夫森能量为 E J = 50 GHz。这些依赖关系是 Φ 0 周期和对称相对于 Φ / Φ 0 = 0.5。的（最小点 b ）曲线图对应于中央结相的转变 φ 0 从零到 π 。
NUST MISIS超导超材料实验室的研究员，该项目的第一作者Kirill Shulga指出，传统的量子位由包含三个约瑟夫森结的方案组成。但是，双量子位由相对于中心轴对称的五个结组成。
“双量子比特被认为比传统的超导量子比特更复杂。这里的逻辑非常简单：具有大量自由度的更复杂的（人为复杂的）系统具有更多影响其性能的因素。当更改超材料所处环境的某些外部属性时，我们可以通过将双量子位从具有特定属性的一种状态转换为具有其他属性的另一种状态来打开和关闭这些属性。”
在整个实验过程中，由双量子位组成的整个超材料在两种不同模式之间切换时，这一点变得显而易见。
微波通过不同形式的量子超材料的传输。 a 测得的传输系数 t 的幅值 （归一化为零场的值）对施加的直流磁场（与线圈中的偏置电流，下轴成比例）和频率 f的 依赖性 。上水平轴将磁场以 每个qubit单环的磁通量 Φ 转换 。透射 t 在磁通 Φ的 变化下显示出急剧的变化 。可以看到两种不同的微波传播范围，零场附近的传输几乎平坦，磁通量 Φ〜 ±时，在11–14 GHz附近的传输具有明显的共振增强。 Φ 0 /2。 b 的交叉切割 一个 在13千兆赫的固定频率。尖峰对应于两个量子位中量子态之间的相干隧穿（参见文本）。 Ç 交叉切割的 一 在10GHz的固定频率。急剧的跳跃对应于 双量子位的中心结在零和 π 相之间的过渡 （见文本）。红色曲线与理论预测的依赖关系式拟合。（12）
“在一种模式中，量子位链很好地传输了微波范围内的电子辐射，同时保留了量子元素。” 在另一种模式下，它将超导相位旋转180度并锁定电磁波通过自身的传输。然而，它仍然是一个量子系统。因此，借助磁场，这种材料可用作电路中的量子信号（分离的光子）系统中的控制元素，由正在开发的量子计算机组成。” NUST MISIS的工程师Ilya Besedin说超导超材料实验室和该项目的研究人员之一。
与标准量子位的性质相比，很难在标准计算机上准确计算一个孪生量子位的性质。如果量子位变得复杂几倍，则有可能达到复杂性的极限，接近或超过现代电子计算机的能力。这种复杂的系统可以用作量子模拟器，即可以预测或模拟某些实际过程或材料的属性的设备。
正如研究人员指出的那样，他们必须整理出许多理论来正确描述量子超材料中发生的过程。该研究的结果是“由双通量量子位组成的量子超材料的磁感应透明性”一文，并发表在《自然通讯》上。
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