DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42092062
تاريخ النشر: 2026-05-06
المؤلف: Ameya Nambisan وآخرون
الموضوع الرئيسي: فيزياء الذرات الباردة وتكثيف بوز-أينشتاين
نظرة عامة
تناقش هذه القسم الخصائص الفريدة للم superconductors، وخاصة قدرتها على طرد المجالات المغناطيسية وسلوك التدفق المغناطيسي عند العتبات الحرجة، حيث يتخلل في كوانتا منفصلة تعرف باسم دوامات أبريكوسوف. داخل هذه الدوامات، يتم قمع الفجوة الفائقة التوصيل، مما يؤدي إلى سلوك مبدد يؤثر على تطبيقات متنوعة، بما في ذلك الأسلاك ذات كثافة التيار العالية والأجهزة الكمومية. يمكن أن تسهل وجود اضطراب مادي الانتقال إلى الدوامات التي تحافظ على فجوة طاقة في نواها، متأثرة بالتفاصيل الداخلية أو الناشئة على مقياس طول التماسك.
يقدم المؤلفون أدلة على أن الدوامات في الأفلام الفائقة التوصيل الحبيبية يمكن أن تعمل كنظم ذات مستويين، مما يظهر التماسك الكمومي على مقياس الميكروثانية وأوقات استرخاء الطاقة التي تمتد إلى أجزاء من الملي ثانية. باستخدام تقنيات الديناميكا الكهربائية الكمومية الدائرية، يحققون التلاعب المتماسك والقراءة غير التدميرية لهذه الحالات الدوامية في رنانات الميكروويف من الألمنيوم الحبيبي. يفتح هذا التقدم آفاقًا جديدة للتطبيقات في معالجة المعلومات الكمومية، وتوصيف المواد، وتقنيات الاستشعار.
نقاش
في هذا النقاش، يستكشف المؤلفون ديناميات الكيوبتات الدوامية (VQs) في رنان خط ميكرو من grAl، مع التركيز على دور نفق التدفق بين مواقع التثبيت. تدعم النسب المغناطيسية الدورانية المقاسة، التي تتراوح من $\gamma/2\pi = 3-25 \text{ GHz mT}^{-1}$، فرضية ظواهر النفق المشابهة لتلك التي لوحظت في الوصلات النانوية grAl. تتماشى قوة الاقتران بين VQ والرنان، المقدرة بـ $g/\omega_r \approx 0.1-1\%$، مع تقاطعات المستوى المتجنبة الملاحظة، مما يشير إلى أنه بينما يمكن أن يفسر تثبيت الدوامة الفردية سلوك VQ، فإن الدخول المتزامن لعدة دوامات يعقد الديناميات.
تكشف النتائج أن VQs تظهر تماسكًا كمومي على مقاييس زمنية ميكروثانية، مع أوقات استرخاء الطاقة التي تقارن مع الكيوبتات الفائقة التوصيل المصممة. يشير هذا السلوك إلى أن grAl يعمل كشبكة ثلاثية الأبعاد من وصلات جوزيفسون، مما يحتمل أن يستضيف دوامات ذات نوى مليئة بالفجوة. يقترح المؤلفون أن التحولات التشتتية الملاحظة يمكن نمذجتها باستخدام نموذج رابي الكم غير المتماثل، مما يدل على نظام ذي مستويين متأثر بنفق الدوامة. تشمل آفاق البحث المستقبلية استخدام تقنيات التصوير للتفريق بين ديناميات الدوامة الفردية والمتعددة، بالإضافة إلى دراسة superconductors الأخرى المضطربة والشبكات المصممة لظواهر VQ مماثلة. تبرز التطبيقات المحتملة لـ VQs في الاستشعار على النطاق النانوي ومنصات المعلومات الكمومية أهميتها في تقدم العلوم الكمومية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42092062
Publication Date: 2026-05-06
Author(s): Ameya Nambisan et al.
Primary Topic: Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates
Overview
This section discusses the unique properties of superconductors, particularly their ability to expel magnetic fields and the behavior of magnetic flux at critical thresholds, where it penetrates in discrete quanta known as Abrikosov vortices. Within these vortices, the superconducting gap is suppressed, leading to dissipative behavior that affects various applications, including high-current-density wires and quantum devices. The presence of material disorder can facilitate a transition to vortices that maintain an energy gap at their cores, influenced by intrinsic or emergent granularity at the coherence length scale.
The authors present evidence that vortices in granular superconducting films can function as two-level systems, demonstrating quantum coherence on the microsecond scale and energy relaxation times extending to fractions of a millisecond. Utilizing circuit quantum electrodynamics techniques, they achieve coherent manipulation and quantum non-demolition readout of these vortex states in granular aluminum microwave resonators. This advancement opens new avenues for applications in quantum information processing, materials characterization, and sensing technologies.
Discussion
In this discussion, the authors explore the dynamics of vortex qubits (VQs) in a grAl micro-stripline resonator, emphasizing the role of flux tunneling between pinning sites. The measured gyromagnetic ratios, ranging from $\gamma/2\pi = 3-25 \text{ GHz mT}^{-1}$, support the hypothesis of tunneling phenomena similar to those observed in grAl nanojunctions. The coupling strength between the VQ and the resonator, estimated at $g/\omega_r \approx 0.1-1\%$, aligns with the observed avoided level crossings, indicating that while single-vortex pinning can explain the VQ behavior, the simultaneous entry of multiple vortices complicates the dynamics.
The findings reveal that VQs exhibit quantum coherence on microsecond timescales, with energy relaxation times comparable to engineered superconducting qubits. This behavior suggests that grAl functions as a three-dimensional network of Josephson junctions, potentially hosting gapful-core vortices. The authors propose that the observed dispersive shifts can be modeled using an asymmetric quantum Rabi model, indicative of a two-level system influenced by vortex tunneling. Future research avenues include employing imaging techniques to differentiate between single- and multi-vortex dynamics, as well as investigating other disordered superconductors and engineered networks for similar VQ phenomena. The potential applications of VQs in nanoscale sensing and quantum information platforms highlight their significance in advancing quantum science.