Сверхпроводниковые устройства, основанные на нетривиальных фазовых и амплитудных характеристиках джозефсоновских структур (1104748)
Текст из файла
На правах рукописиКлёнов Николай ВикторовичСВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НАНЕТРИВИАЛЬНЫХ ФАЗОВЫХ И АМПЛИТУДНЫХХАРАКТЕРИСТИКАХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ СТРУКТУРСпециальность 01.04.04 – физическая электроникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроникифизического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, доцентКорнев Виктор КонстантиновичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорКошелец Валерий Павловичкандидат физико-математических наукГудков Александр ЛьвовичВедущая организация:Физико-технологический институт РАН, г. МоскваЗащита диссертации состоится “05” июня 2008 г.
в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.66 в Московском государственном университетеим. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские Горы, физический факультетМГУ, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан “”2008 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д.501.001.66Ершов А.П.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыРазвитие и внедрение сверхпроводниковых микро- и нанотехнологий, а также системдля квантовых вычислений, является важнейшим условием прогресса современнойэлектроники, современных телекоммуникационных систем, систем обработки и защитыинформации.
Прогресс беспроводных и спутниковых средств связи, радарных системдиктует использование цифровых технологий, создание передающих и приемных устройствс прямой оцифровкой СВЧ сигналов [1]-[4]. Такая задача может быть успешно решена сприменением сверхпроводниковых АЦП, для которых были продемонстрированы предельнонизкая шумовая температура, крайне высокая линейность и динамический диапазон.Использование стандартной ниобиевой технологии с плотностью критического токаджозефсоновских переходов 1 кА/cм2 и 4,5 кА/cм2 позволило создать сверхпроводниковыеАЦП для Х-диапазона частот [5]-[8]; переход к технологии с более высокой плотностьюкритического тока позволит разработать такие АЦП для К-диапазона.В то же время, общая эффективность приемных систем на основе сверхпроводниковыхцифровых устройств ограничивается антенной и следующим за ней низкошумящимпредусилителем, имеющим более высокую шумовую температуру, более низкую линейностьи меньший динамический диапазон по сравнению со сверхпроводниковым АЦП.Предложенные для решения этих проблем сквид-усилители [9]-[12] легко интегрируются сосверхпроводниковым АЦП в один криогенный пакет, но, к сожалению, не способныобеспечить требуемые характеристики.
Несмотря на достаточно низкую шумовуютемпературу таких усилителей TN ≈ 1…3 K [10], одновременно низкая температуранасыщения Tsat ≈ 100…150 K [10]-[11] приводит к слишком малому динамическомудиапазону D = Tsat/TN сквид-усилителей (порядка 10…15 дб [10]-[11]) в отсутствие цепиэффективной следящей обратной связи. Попытки реализации цепи эффективной обратнойсвязи в гигагерцовом диапазоне частот [12] пока не увенчались успехом.Новые возможности открывает использование цепочек сквидов постоянного тока(цепочек двухконтактных интерферометров), поскольку динамический диапазон какпараллельной, так и последовательной цепочек увеличивается с ростом числа N ячеекцепочки какN (в отсутствие какой-либо цепи обратной связи).
Значительное увеличениединамического диапазона многоэлементных устройств дает возможность эффективнойработы без цепи следящей обратной связи. Однако при этом на первое место выходит задачасущественного повышения линейности характеристик такого устройства. Это может быть3достигнуто за счет использования многоэлементных джозефсоновских устройств снетривиальной амплитудной характеристикой, обеспеченной специально разработаннойструктурой и топологией цепей.Другое направление развития систем обработки и защиты информации связывают сиспользованием принципиально новых подходов к работе с информацией и созданиемквантового компьютера.
Крайне высокий интерес к разработке квантового компьютераопределяется двумя основными факторами. С одной стороны, согласно известномуэмпирическому «закону» Мура степень интеграции микросхем, а вместе с тем, иминиатюризации элементов микросхем, удваивается каждые полтора года, и, следовательно,менее чем через 20 лет размеры интегральной схемы станут порядка атомных, а законы ихфункционирования будут полностью определяться квантовой механикой. До настоящеговремени во всех разработках квантовые эффекты, связанные с малостью размеров различныхэлементов устройств, воспринимались как преграда на пути миниатюризации. В этой связиодной из задач квантовой теории информации является выяснение того, каким образомможно использовать фундаментальные неклассические свойства информации для нуждтехнического прогресса.
С другой стороны, развитие квантовой теории информации привелок появлению принципиально новых квантовых алгоритмов, значительно более эффективныхдля некоторых классов задач, чем их классические аналоги. Среди таких алгоритмов можноотметить широко известный алгоритм Шора [13]-[14] для факторизации большихнатуральных чисел, роль которого для проблем квантовой криптографии сложнопереоценить, а также алгоритм Гровера [15] для поиска в больших неупорядоченных базахданных.В настоящее время квантовомеханические методы вычислений, обработки и защитыинформации рассматриваются одновременно как определенное дополнение и альтернативапо отношению к классическим цифровым методам обработки информации. Успешноезавершение активно ведущихся работ по созданию квантового компьютера должно решитьмногие важные проблемы криптографии и вычислительной техники.
С другой стороны, этодолжно привести к новому освещению фундаментальных проблем квантовой механики иквантовой теории информации. Наиболее перспективной элементной базой реализациитакогоквантовогокомпьютераявляютсясверхпроводниковыеджозефсоновскиенаноструктуры.Первой и наиболее фундаментальной проблемой на пути создания квантовогокомпьютера является разработка и реализация таких типов кубитов (квантовых битов),которые обладают достаточно большим временем декогерентности и позволяют строить4многокубитные цепи.
Несмотря на существующие попытки разработок кубитов сиспользованием ионных ловушек [16], спиновых моментов [17], ядерного магнитногорезонанса [18] и т. д., в настоящее время наиболее перспективными типами кубитовпризнаются твердотельные кубиты на основе эффекта Джозефсоноа в сверхпроводниках.Лидирующие позиции в области разработки отдельных кубитов и систем кубитов такоготипа занимают научные центры Японии, Германии, Голландии, Канады. В японском центре“NEC Fundamental research Laboratories” разрабатывается так называемый зарядовый кубит исистемы на его основе [19]-[23], в Йенском институте высоких технологий (IPHT), Германия,и Техническом университете Delft, Голландия, изучается потоковый кубит на основетрехконтактного сверхпроводящего интерферометра [24]-[26], в лабораториях СоединенныхШтатов и Германии разрабатывается фазовые кубиты [29].
К настоящему времени достигнутсущественный прогресс не только в изучении зарядовых и фазовых кубитов как таковых, нои предложены схемы, позволяющие контролируемым образом связывать кубиты иосуществлять над ними логические операции [27]-[28]; выполнены тонкие эксперименты пообнаружению квантовых когерентных осцилляций в кубитах [29]-[30]; уже давнопродемонстрировано макроскопическое квантовое туннелирование [31].В то же время, одной из наиболее острых проблем для твердотельных кубитов являетсяпроблема декогерентностии - самая главная на сегодня проблема квантовой информатики.Взаимодействие кубитов с окружающей средой ведет к потере когерентности и, какследствие, к нарушению квантовых вычислений. В силу этого представляется крайнеактуальным создание квантовых алгоритмов исправления ошибок [32]-[33], а такжеразработка и реализация так называемых “тихих” кубитов, которые предельно изолированыот воздействия окружающей среды.
Для реализации таких “тихих” кубитов в работах,выполненных в Канадском Центре “D-wave systems” [34] и лаборатории криоэлектроникиМГУ [35], было предложено использовать джозефсоновские переходы с нетривиальнымифазовыми характеристиками - несинусоидальной зависимостью сверхпроводящего тока отджозефсоновской фазы. Такой характер ток-фазовой зависимости (ТФЗ) наблюдается вбикристаллическихджозефсоновскихпереходахнаосновевысокотемпературныхсверхпроводников, а также в SFS джозефсоновских структурах c ферромагнитнойпрослойкой.Поэтому данная диссертационная работа, посвященная изучению физических основпостроения новых сверхпроводниковых устройств на основе джозефсоновских структур снетривиальными ток-фазовыми и амплитудными характеристиками, является весьмаактуальной.5Цель диссертационной работыЦелью данной работы являются изучение джозефсоновских структур с нетривиальнымиток-фазовыми и амплитудными характеристиками и разработка физических основ созданияна основе таких структур новых сверхпроводниковых устройств для систем приема,обработки и защиты информации: «тихих» кубитов – базовых элементов квантовогокомпьютера,атакжевысокочувствительныхивысоколинейныхширокополосныхусилителей гигагерцового диапазона частот.Научная новизнаСледующие результаты были получены впервые:1.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
