Supraconductivité et phénomènes quantiques macroscopiques associés

John H. Miller, Jr., du Département de physique et du Texas Center for Superconductivity de l’Université de Houston, nous guide à travers la supraconductivité et les phénomènes quantiques macroscopiques associés.

Le comportement quantique s’applique non seulement aux systèmes microscopiques mais aussi aux systèmes macroscopiques. Les particules de spin ½, les fermions, obéissent au principe d’exclusion de Pauli, selon lequel deux ne peuvent pas occuper le même état quantique. En revanche, de nombreuses particules à spin entier, les bosons, peuvent se condenser en un seul état macroscopique.

Dans un supraconducteur ⁽¹⁾en dessous de sa température critique ou T_c , les électrons se condensent en un superfluide électronique qui circule sans résistance. Pour que les électrons (spin ½) se condensent, ils doivent former des paires. Il y a cependant un problème. Les électrons se repoussent normalement.

Deux problèmes ont été résolus dans la théorie de la supraconductivité de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). La première est que l’interaction des électrons avec les vibrations du réseau cristallin (phonons) peut provoquer une attraction nette. Une autre est que l’appariement a lieu dans l’espace dynamique. Les partenaires de chaque paire de Cooper forment une fonction d’onde corrélée englobant de nombreux autres électrons dans l’espace réel. La théorie BCS, avec l’appariement médié par les phonons et la symétrie de l’appariement des ondes S, explique les phénomènes classiques à faible T._c supraconducteurs.

Les choses ont changé avec la découverte du high-T_c supraconductivité dans les cuprates, comme YBa₂Cu₃Ô₇ (YBCO). Contrairement aux supraconducteurs classiques, YBCO présente une symétrie d’appariement d’onde D, indiquant un appariement non basé sur les phonons. (Le groupe de l’auteur a réalisé quelques expériences clés à l’Université de Houston). Un autre aspect est que des champs magnétiques critiques très élevés permettront de créer des électro-aimants puissants pour les réacteurs à fusion Tokamak compacts.

Ordinateurs quantiques supraconducteurs

L’informatique quantique est l’une des applications les plus récentes de la supraconductivité. La plupart des ordinateurs quantiques supraconducteurs utilisent de l’aluminium, avec un T_c de 1,2 K. Ils s’appuient sur la tunnelisation Josephson d’électrons appariés à travers une fine barrière isolante. L’énergie de couplage Josephson provoque une inductance cinétique non linéaire. Ceci est à la base du qubit transmon, essentiellement un résonateur inducteur-condensateur (LC) non linéaire. Lorsqu’il est refroidi à des températures millikelvins (mK), le transmon agit comme un « atome artificiel ». Deux de ses niveaux d’énergie sont désignés comme états |0 et |1 du qubit.

Les ordinateurs quantiques supraconducteurs existants nécessitent malheureusement un refroidissement mK avec des réfrigérateurs à dilution. Cela limite leur applicabilité en raison de leur grande taille, de leur coût élevé et de la rareté des ³Lui, et une puissance de refroidissement limitée.

Matériaux et systèmes quantiques

Il est donc nécessaire de révéler des matériaux et des systèmes quantiques pouvant agir comme des ressources quantiques plus robustes thermiquement.

L’onde de densité de charge (CDW) est un condensat électron-phonon qui se forme dans les matériaux en couches. ^(1,2) Les CDW montrent un transport collectif d’électrons aux températures connues les plus élevées à pression ambiante, au-dessus du point d’ébullition de l’eau dans certains matériaux. Sa nature quantique est révélée par des expériences incluant des oscillations, de période h/2een courant CDW par rapport au flux magnétique en TaS₃ anneaux.

Certains CDW démontrent des preuves d’un apprentissage amélioré quantique. Dans l’effet mémoire de durée d’impulsion (PDME), on applique une série d’impulsions de courant rectangulaires, tandis que le CDW répond par de nombreuses oscillations de tension. Après l’entraînement, l’oscillation finale de la tension CDW se termine toujours au minimum, comme si l’on connaissait à l’avance la longueur de l’impulsion. 1 à 3 impulsions d’entraînement sont nécessaires, contre des centaines, voire des milliers, parfois sans apprentissage, dans les simulations classiques.

Les CDW pourraient donc convenir au calcul des réservoirs quantiques. Un réservoir est un système dynamique, avec des couches de réseau neuronal (NN) en entrée et en sortie, ce qui réduit les coûts d’apprentissage. L’informatique de réservoir quantique et l’apprentissage automatique pourraient devenir des technologies omniprésentes en raison de leur large applicabilité.

Autres applications potentielles

D’autres applications potentielles incluent les qubits hybrides CDW-supraconducteur pour l’informatique quantique basée sur des circuits. Dans certains appareils proposés ⁽³⁾les rôles dont l’élément est non linéaire sont inversés (par rapport au transmon) en non linéaire LC et résonateurs associés. D’autres progrès nécessiteront de révéler les comportements microscopiques sous-jacents des CDW et des systèmes quantiques macroscopiques associés.

Les références

1. Bardeen, J. Supraconductivité et autres phénomènes quantiques macroscopiques. La physique aujourd’hui 43, 25-31, est ce que je:10.1063/1.881218 (1990).
2. Miller, JH, Jr. et Suárez-Villagrán, MY Transport d’ondes à densité de charge fluidique quantique. Lettres de physique appliquée 118, 184002, est ce que je:10.1063/5.0048834 (2021).
3. Miller, JH, Villagrán, MYS, Sanderson, JO et Wosik, J. Systèmes quantiques hybrides pour le traitement de l’information quantique à plus haute température. Transactions IEEE sur la supraconductivité appliquée 33, 1-4, doi:10.1109/TASC.2023.3241131 (2023).