Superconductividad y fenómenos cuánticos macroscópicos relacionados.

John H. Miller, Jr., del Departamento de Física de la Universidad de Houston y del Centro de Superconductividad de Texas, nos lleva a través de la superconductividad y los fenómenos cuánticos macroscópicos relacionados.

El comportamiento cuántico se aplica no sólo a los sistemas microscópicos, sino también a los sistemas macroscópicos. Las partículas de espín ½, los fermiones, obedecen al principio de exclusión de Pauli, según el cual dos no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Por otro lado, muchas partículas de espín entero, los bosones, pueden condensarse en un único estado macroscópico.

en un superconductor ⁽¹⁾por debajo de su temperatura crítica o T_w , los electrones se condensan en un superfluido electrónico que fluye sin resistencia. Para que los electrones (espín-½) se condensen, deben formar pares. Sin embargo, hay un problema. Los electrones normalmente se repelen entre sí.

Se han resuelto dos cuestiones en la teoría de la superconductividad de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Una es que la interacción de los electrones con las vibraciones de la red cristalina (fonones) puede provocar una atracción neta. Otra es que el emparejamiento ocurre en el espacio de momento. Los socios de cada par de Cooper forman una función de onda correlacionada que abarca muchos otros electrones en el espacio real. La teoría BCS, con emparejamiento mediado por fonones y simetría de emparejamiento de ondas S, explicó la clásica T baja._w superconductores.

Las cosas cambiaron con el descubrimiento de la T alta_w superconductividad en cupratos como YBa_dosCulo₃oh₇ (YBCO). A diferencia de los superconductores clásicos, YBCO muestra simetría de emparejamiento de onda d, lo que indica un emparejamiento no basado en fonones. (El grupo del autor realizó algunos experimentos importantes en la Universidad de Houston). Otro aspecto es que los campos magnéticos críticos muy elevados permitirán la creación de potentes electroimanes para los reactores de fusión compactos Tokamak.

Computadoras cuánticas superconductoras

La computación cuántica es una de las aplicaciones más recientes de la superconductividad. La mayoría de las computadoras cuánticas superconductoras utilizan aluminio, con una T_w de 1,2 K. Se basan en la tunelización de pares de electrones de Josephson a través de una delgada barrera aislante. La energía de acoplamiento de Josephson provoca una inductancia cinética no lineal. Ésta es la base del qubit transmon, esencialmente un resonador inductor-condensador (LC) no lineal. Cuando se enfría a temperaturas mili-Kelvin (mK), el transmón actúa como un «átomo artificial». Dos de sus niveles de energía se designan como estados |0 y |1 del qubit.

Lamentablemente, los ordenadores cuánticos superconductores existentes requieren refrigeración mK con refrigeradores de dilución. Esto limita su aplicabilidad debido al gran tamaño, alto costo, escasez de ³Tiene un poder de enfriamiento limitado.

Materiales y sistemas cuánticos.

Por lo tanto, existe la necesidad de revelar materiales y sistemas cuánticos que puedan actuar como recursos cuánticos térmicamente más robustos.

La onda de densidad de carga (CDW) es un condensado de fonones y electrones que se forma en materiales en capas. ^(1,2) Los CDW muestran transporte colectivo de electrones a las temperaturas más altas conocidas a presión ambiente, por encima del punto de ebullición del agua en algunos materiales. Su naturaleza cuántica se revela mediante experimentos que incluyen oscilaciones, de período h/dosEsen CDW actual vs. flujo magnético en TaS₃ anillos.

Algunos CDW muestran evidencia de aprendizaje mejorado cuántico. En el efecto de memoria de duración del pulso (PDME), se aplica una serie de pulsos de corriente rectangulares, mientras que el CDW responde con muchas oscilaciones de voltaje. Después del entrenamiento, la oscilación final de la tensión CDW siempre termina en el mínimo, como si se conociera previamente la duración del impulso. Se necesitan de 1 a 3 impulsos de entrenamiento, en comparación con cientos o miles, a veces sin aprendizaje, en las simulaciones clásicas.

Por lo tanto, los CDW pueden ser adecuados para la computación cuántica de yacimientos. Un reservorio es un sistema dinámico, con capas de redes neuronales (NN) en su entrada y salida, lo que reduce el costo del aprendizaje. La computación de reservorios cuánticos y el aprendizaje automático pueden surgir como tecnologías generalizadas debido a su amplia aplicabilidad.

Otras aplicaciones potenciales

Otras aplicaciones potenciales incluyen qubits superconductores CDW híbridos para computación cuántica basada en circuitos. En algunos dispositivos propuestos ⁽³⁾las funciones de qué elemento es no lineal se intercambian (vs. el transmon) en no lineal IC y resonadores relacionados. Para lograr mayores avances será necesario revelar los comportamientos microscópicos subyacentes de los CDW y los sistemas cuánticos macroscópicos relacionados.

Referencias

1. Bardeen, J. Superconductividad y otros fenómenos cuánticos macroscópicos. Física hoy 43, 25-31, doi:10.1063/1.881218 (1990).
2. Miller, JH, Jr. & Suárez-Villagrán, MY Transporte cuántico de ondas de densidad de carga fluídica. Cartas de Física Aplicada 118, 184002, doi:10.1063/5.0048834 (2021).
3. Miller, JH, Villagrán, MYS, Sanderson, JO & Wosik, J. Sistemas cuánticos híbridos para el procesamiento de información cuántica a temperaturas más altas. Transacciones IEEE sobre superconductividad aplicada 33, 1-4, doi:10.1109/TASC.2023.3241131 (2023).