Сверхпроводящие гибридные системы для элементов альтернативной пост-кремниевой электроники: спинтроники, магноники, квантовых и нейроморфных систем (заключительный, этап 3)

Направление исследований в рамках научного проекта охватывает несколько важных разделов, связанных с разработкой и исследованием элементов и устройств новой «пост-кремниевой» электроники на основе сверхпроводниковых структур. Основным элементом этих систем является джозефсоновский переход. Его нелинейные свойства являются ключевой характеристикой для выполнения нескольких задач проекта и, прежде всего, реализации нелинейных передающих СВЧ линий и усилителей СВЧ сигналов с квантовым уровнем шумов. Значительная часть теоретических и экспериментальных исследований отчетного периода была связана с квантовыми системами, перспективными в квантовых вычислениях. Исследование задач управления отдельными атомами, молекулами, фотонами, а также искусственными квантовыми системами (кубитами), поведение которых описывается законами квантовой механики, проблем эффективного перевода сложных систем из основного в некоторое возбужденное состояние, разработка кодов коррекции ошибок в квантовых вычислениях, - все это важные современные направления в связи с возможными применениями в квантовых технологиях. В разделе 1 отчета описана одномерная цепочка (сверхпроводящий метаматериал) на основе 2700 контактов Джозефсона (мета-атомов), которая, фактически, является параметрическим СВЧ усилителем бегущей волны, работающем в полосе 5-8 ГГц. Раздел 2 отчета посвящен исследованию структур на основе сверхпроводников и ферромагнетиков (SF-структур). Задачи отчетного периода были связаны с использованием в качестве джозефсоновской слабой связи трехслойных FSF переключателей. Раздел 3 отчета посвящен развитию работ по реализации и исследованию гибридных структур сверхпроводник-ферромагнетик, а также разработке современных методов исследования ферромагнитных пленок и магнитных нанокристаллов с помощью ферромагнитного резонанса (ФМР) и СВЧ спектроскопии. В разделе 4 отчета предложен метод линейного масштабирования кодов квантовой коррекции ошибок и квантовая структура для реализации таких кодов на замкнутой цепочке из чередующихся вспомогательных и хранящих информацию кубитов. Раздел 5 посвящен исследованию нового когерентного макроскопического квантового явления, связанного с квантовыми биениями магнитного флаксона (кванта магнитного потока) в цепочке сверхпроводниковых кубитов на основе джозефсоновских интерферометров (СКВИДов) с высокой кинетической индуктивностью. Раздел 6 посвящен методу поиска оптимальных управлений для задачи генерации заданных двухкубитных матриц плотности в целях создания заданного процесса в системе из двух взаимодействующих с окружением кубитов с разными частотами с использованием когерентного и некогерентного управлений. Раздел 7 посвящен методу решения задачи перевода населенности целевой фракции распределенных в резонаторе квантовых систем из стационарного основного состояния в некоторое возбужденное с помощью лазерного излучения, модуляции длины резонатора и диффузии c возможностью включения индуцирующей нелинейность обратной связи. В разделе 8 отчета показано, что использование высокодобротных резонаторов позволяет создавать эффективные узкополосные интерфейсы, в том числе для интегрирования или эффективного соединения резонаторов с усилителями сверхмалых сигналов, а также создавать дифференциальные балансные схемы нуль-детектор.