Сверхпроводниковые устройства, основанные на нетривиальных фазовых и амплитудных характеристиках джозефсоновских структур

• Автор: Кленов, Николай Викторович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Общая характеристика диссертационной работы
• Актуальность работы
• Цель диссертационной работы б
• Научная новизна б
• Практическая ценность работы
• Вопросы авторства и публикация результатов работы
• Краткое содержание диссертации
Глава 1. Введение. Постановка задачи
1.1 Макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках
1.2 Джозефсоновские квантовые биты
1.3 Многоэлементные джозефсоновские структуры
1.4 Постановка задачи
Глава 2. Исследование физических основ построения высоколинейных
многоэлсментных джозефсоновских структур
2.1 Синтез последовательных цепочек двухконтактных интерферометров с 40 высоколинейным откликом
2.2 Синтез структур с высоколинейным откликом на основе
дифференциально соединенных цепочек интерферометров
2.3 Высоколинейные дифференциальные СКИФ-структуры
Глава 3. Вопросы практического создания высоколинейных
многоэлементных структур на основе ннобисвой технологии
3.1 Создание и исследование многоэлементных джозефсоновских структур
3.2 Способы защиты формы отклика многоэлементных структур
Глава 4. Фазовый кубит на основе джозефсоновских переходов с
нетривиальной ток-фазовой характеристикой
4.1 Принципы построения «тихих» фазовых кубитов
4.2 Подходы к изготовлению «тихих» кубитов
• Выводы
• Благодарности
• Список публикаций автора по теме диссертации
• Список цитируемой литературы

Общая характеристика диссертационной работы
Актуальность работы
Развитие и внедрение сверхпроводниковых лткро- и нанотехнологий, а также систем для квантовых вычислений, является важнейшим условием прогресса современной электроники, современных телекоммуникационных систем, систем обработки и защиты информации. Прогресс беспроводных и спутниковых средств связи, радарных систем диктует использование цифровых технологий, создание передающих и приемных устройств с прямой оцифровкой СВЧ сигналов [1]-[4]. Такая задача может быть успешно решена с применением сверхпроводниковых АЦП, для которых были продемонстрированы предельно низкая шумовая температура, крайне высокая линейность и динамический диапазон. Использование стандартной ииобиевой технологии с плотностью критического тока джозефсоновских переходов 1 кА/см2 и 4,5 кА/см2 позволило создать сверхпроводниковые АЦП для Х-диапазона частот [5]-[8]; переход к технологии с более высокой плотностью критического тока позволит разработать такие АЦП для К-диапазона.
В то же время, общая эффективность приемных систем на основе сверхпроводниковых цифровых устройств ограничивается антенной и следующим за ней низкошумящим предусилителем, имеющим более высокую шумовую температуру, более низкую линейность и меньший динамический диапазон по сравнению со сверхпроводниковым АЦП. Предложенные для решения этих проблем сквид-усилители [9]-[12] легко интегрируются со сверхпроводниковым АЦП в один криогенный пакет, но, к сожалению, не способны обеспечить требуемые характеристики. Несмотря на достаточно низкую шумовую температуру таких усилителей Тм « 1...3К [10], одновременно низкая температура насыщения ~ 100...150К [10]-[11] приводит к слишком малому динамическому диапазону Б = Тм/1^ сквид-усилителей (порядка 10... 15 дб [10]-[11]) в отсутствие цепи эффективной следящей обратной связи. Попытки реализации цепи эффективной обратной связи в гигагерцовом диапазоне частот [12] пока не увенчались успехом.
Новые возможности открывает использование цепочек сквидов постоянного тока (цепочек двухконтактных интерферометров), поскольку динамический диапазон как параллельной, так и последовательной цепочек увеличивается с ростом числа N ячеек цепочки как л!N (в отсутствие какой-либо цепи обратной связи). Значительное увеличение динамического диапазона многоэлементных устройств дает возможность эффективной работы без цепи следящей обратной связи. Однако при этом на первое место
выходит задача существенного повышения линейности характеристик такого устройства. Это может быть достигнуто за счет использования многоэлементных джозефсоновских устройств с нетривиальной амплитудной характеристикой, обеспеченной специально разработанной структурой и топологией цепей.
Другое направление развития систем обработки и защиты информации связывают с использованием принципиально новых подходов к работе с информацией и созданием квантового компьютера. Крайне высокий интерес к разработке квантового компьютера определяется двумя основными факторами. С одной стороны, согласно известному эмпирическому «закону» Мура степень интеграции микросхем, а вместе с тем, и миниатюризации элементов микросхем, удваивается каждые полтора года, и, следовательно, менее чем через 20 лет размеры интегральной схемы станут порядка атомных, а законы их функционирования будут полностью определяться квантовой механикой. До настоящего времени во всех разработках квантовые эффекты, связанные с малостью размеров различных элементов устройств, воспринимались как преграда на пути миниатюризации. В этой связи одной из задач квантовой теории информации является выяснение того, каким образом можно использовать фундаментальные неклассические свойства информации для нужд технического прогресса. С другой стороны, развитие квантовой теории информации привело к появлению принципиально новых квантовых алгоритмов, значительно более эффективных для некоторых классов задач, чем их классические аналоги. Среди таких алгоритмов молено отметить широко известный алгоритм Шора [13]-[14] для факторизации больших натуральных чисел, роль которого для проблем квантовой криптографии сложно переоценить, а также алгоритм Г ровера [15] для поиска в больших неупорядоченных базах данных.
В настоящее время квантовомеханические методы вычислений, обработки и защиты информации рассматриваются одновременно как определенное дополнение и альтернатива по отношению к классическим цифровым методам обработки информации. Успешное завершение активно ведущихся работ по созданию квантового компьютера должно решить многие важные проблемы криптографии и вычислительной техники. С другой стороны, это должно привести к новому освещению фундаментальных проблем квантовой механики и квантовой теории информации. Наиболее перспективной элементной базой реализации такого квантового компьютера являются
сверхпроводниковые джозефсоновские наноструктуры.
Первой и наиболее фундаментальной проблемой на пути создания квантового компьютера является разработка и реализация таких типов кубитов (квантовых битов), которые обладают достаточно большим временем декогерентности и позволяют строить
В такой схеме не требуется дополнительное магнитное Фо/2-смещение одного из интерферометров, зато характерное напряжение джозефсоновских переходов одного из этих двух интерферометров должно быть в четыре раза ниже, а площадь - в два раза больше. Эту схему можно также обобщить па случай дифференциально включенных последовательных цепочек. На рис. 2.11 показана соответствующая схема дифференциально включенных цепочек, состоящих из чередующихся интерферометров, площадь которых отличается в два раза.
Возможно и дальнейшее увеличение линейности отклика напряжения. Для этого необходимо добавить в цепочку несколько интерферометров, отклик которых близок к гармоническому, т. е. интерферометров, для которых общий ток смещения цепочки значительно превышает величину их критического тока (/* > 3/с). Эти дополнительные ячейки включаются в цепочку в количестве, необходимом для того, чтобы исправить
-0,2 0,0 0.2 Магнитный поток Ф /Ф„
0,020

5 0,015
а. 0.010 го

н 0,005

< 0,000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Номер гармоники п
Рис. 2.12. (а) Виды откликов интерферометра, рассчитанные для различных заданных
значений тока смещения /ь. (б) Спектры откликов интерферометра, рассчитанные для
различных заданных значений нормированной индуктивности кольца / при величине тока
смещения /ь = 2/с. Для сравнения сплошной линией показана огибающая спектра отклика
сквида с нулевой индуктивностью.