Диод обычно ассоциируется с простой идеей: в одну сторону ток проходит легче, в другую заметно хуже. А теперь представьте, что такой «односторонний» элемент работает в сверхпроводнике, где электричество течет без сопротивления и, что особенно важно для квантовых схем, потенциально с куда меньшим уровнем паразитного шума.
Именно такой эффект впервые показали исследователи из Китая, причем не при экстремально низких температурах, а на уровнях, близких к «практичным» для криогенной техники. Работа опубликована в Nature Physics.
Классический диодный эффект означает асимметрию отклика: при одинаковых условиях в одном направлении ток идет охотнее, чем в противоположном. Долгое время считалось, что подобное поведение характерно лишь для обычной электроники, а в сверхпроводниках реализовать его сложно. Ситуация изменилась в 2020 году, когда группа из Японии впервые продемонстрировала диодный эффект в сверхпроводнике. С тех пор тема стала одной из заметных в контексте квантовых вычислений, где каждый лишний источник шума может разрушать хрупкие квантовые состояния.
Проблема в том, что большинство известных сверхпроводящих «диодов» работали примерно при 10 кельвинах и часто требовали внешнего магнитного поля. Кроме того, эффективность диодного поведения нередко оказывалась невысокой. Руководитель новой работы Дин Чжан из Университета Цинхуа и Пекинской академии квантовой информатики прямо указывает на эти ограничения и на общую боль всей области: чем выше критическая температура сверхпроводника, тем ближе реальное применение, но добиться этого непросто.
Чтобы понять, почему температура так важна, стоит напомнить базовую механику сверхпроводимости. Ниже критической температуры электроны в материале могут связываться в пары Купера. Эти пары ведут себя как единые квантовые частицы и могут «собираться» в одно состояние так, что поток заряда перестает рассеиваться на дефектах и колебаниях кристаллической решетки. В итоге ток течет без сопротивления. Но у большинства материалов критические температуры крайне низкие, всего на считанные градусы выше абсолютного нуля, поэтому каждый шаг вверх по температурной шкале имеет практическую цену.
Команда Чжана сделала ставку на купраты, многослойные соединения на основе оксидов меди и других металлов. Именно купратные сверхпроводники в экспериментах демонстрируют одни из самых высоких критических температур. Исследователи собрали структуру из двух тонких купратных «чешуек», сформировав джозефсоновский переход: две сверхпроводящие области разделены очень малым зазором, через который пары Купера могут проходить за счет квантового туннелирования. Такой узел позволяет тонко управлять сверхпроводящими режимами и напряжениями.
Ключевой инженерный ход был в том, что эти две чешуйки повернули друг относительно друга на тщательно выбранные углы, а затем применили импульсную методику накачки током, чтобы создать асимметрию в переходе. Когда структуру интегрировали на чип, оказалось, что при облучении микроволнами джозефсоновский переход может переключаться между нулевым напряжением и дискретным конечным напряжением, и этот режим зависит от направления приложенного сверхпроводящего тока. Авторы описывают метод как простой и подчеркивают две вещи: эффект достигается при температурах выше 77 кельвинов (то есть выше температуры жидкого азота) и не требует магнитного поля.
Почему это может быть важно для квантовых вычислений? Одна из хронических проблем квантовых схем связана с шумом при обработке сигналов, который способен разрушать информацию в кубитах. В обычных проводниках часть шума возникает из-за рассеяния электронов на решетке и примесях. В новой работе авторы делают акцент на том, что перенос тока в обе стороны обеспечивается именно парами Купера, а не тем, что в одном направлении течет «идеальный» сверхпроводящий ток, а в другом значительная доля уходит в обычный, шумный режим. Эту особенность они и предлагают называть «квантовым сверхпроводящим диодным эффектом».
Теперь задача выглядит так: превратить демонстрацию в более широкий набор практических прототипов. По словам Чжана, подход должен быть применим к множеству сверхпроводников, а в перспективе может помочь поднять рабочие температуры диодного эффекта еще выше, вплоть до уровней более 100 кельвинов. Если эти ожидания подтвердятся, у разработчиков квантовых систем появится еще один инструмент для более тихих и управляемых сверхпроводящих схем.