Квантовый детектор на основе суперпозиции макроскопических состояний в фазовом кубите

Abstract

Рассмотрен квантовый детектор, работа которого основана на модуляции магнитным потоком циркулирующего сверхпроводящего тока в основном квантовом состоянии макроскопической сверхпроводящей петли с джозефсоновским контактом. Под действием внешнего магнитного потока, равного 0/2 (или 0), два (или три) классических состояния связываются между собой с помощью квантового туннелирования через потенциальный барьер, и поэтому детектор представляет собой двухуровневую (или трехуровневую) систему. В области низких температур и при условии очень слабого затухания среднее значение циркулирующего сверхпроводящего тока отражает характер изменения квантовой суперпозиции макроскопических состояний, чувствительной к симметрии потенциала. Эти изменения тока усиливаются и детектируются в схеме измерения, которая подобна регистрации сигнала в безгистерезисном ВЧ сквиде. С помощью численного анализа показано, что по сравнению с кубит-детектором на основе SIS-контакта детектор с ScS-контактом является более быстрым и имеет гораздо большие амплитуды расщепления энергий при равных параметрах. Приведенные для двух- и трехъямного потенциалов результаты ясно указывают на то, что кубит с ScS-контактом может вести себя как детектор с чувствительностью, определяемой квантовым шумом усилителя.

Розглянуто квантовий детектор, робота якого застосована на модуляції магнітним потоком циркулюючого надпровідного струму в основному квантовому стані макроскопічної надпровідної петлі з джозефсонівським контактом. Під дією зовнішнього магнітного потоку, що дорівнює 0/2 (або 0), два (або три) класичні стани зв’язуються між собою за допомогою квантового тунелювання через потенціальний бар’єр, і тому детектор являє собою дворівневу (або трирівневу) систему. В області низьких температур і при умові дуже слабкого затухання середнє значення циркулюючого надпровідного струму відображає характер зміни квантової суперпозиції макроскопічних станів, чутливої до симетрії потенціалу. Ці зміни струму підсилюються і детектуються в схемі вимірювання, яка подібна до реєстрації сигналу в безгістерезисному ВЧ сквіді. За допомогою чисельного аналізу показано, що порівняно з кубіт-детектором на основі SIS-контакту, детектор з ScS-контактом є більш швидкодіючим і має значно більші амплітуди розщеплення енергій при рівних параметрах. Наведені для двох- та трьох- ямовий потенціалів результати чітко вказують на те, що кубіт з ScS-контактом може поводити себе як детектор з чутливістью, яка визначається квантовим шумом підсилювача.

A quantum detector is described which is based on flux modulation of supercurrent circulating in a quantum mechanical ground state of the macroscopic superconducting loop with Josephson junction. At an applied magnetic flux of 0/2 (or 0) two (or three) classical states are coupled via quantum tunneling through the barrier(s) between the wells, and the detector is a macroscopic quantum two-level (or three-level) system. For low damping and low temperatures an average value of the circulating supercurrent is supposed to display the sensitivity of the quantum superposition of macroscopic states to potential symmetry. These average values of the circulating supercurrent are amplified and then detected in the operation mode which is similar to that of anhysteretic RF squids, as an ideal parametric up-converter. We demonstrate by computation that compared with the traditional SIS junction qubit- scheme, the ScS junction qubit scheme is much faster and has a much higher energy level splitting for two and the same parameters. The data presented here for two and three wells potential provide clear evidence that a small ScS junction qubit can behave as a flux detector with the so-called standard quantum limit of the energy resolution.