Физические принципы квантовых вычислений на основе многокубитных систем и топологических сверхпроводников

Гибридные сверхпроводящие системы, которые включают в себя массивы джозефсоновских кубитов, связанных с общим фотонным резонатором, открывают возможность исследовать новые квантовые эффекты. В частности, это возможно благодаря реализации режимов сильной связи с перестройкой основного состояния или сильной накачки с неравновесными явлениями. Исследования проекта нацелены на изучение статистики фотонов в таких квантовых метаматериалах, когда за счет сильного взаимодействия между кубитами и фотонами происходит фазовый переход с конденсацией поляритонов. В проекте планируется сформулировать эффективное действие для фотонной моды, проинтегрировав по кубитным степеням свободы, записанным через фермионное представление Мартина. Это позволит изучить равновесную динамику фотонов в метаматериале для разных температур и заселенностей, и, в частности, вычислить флуктуации и старшие кумулянты чисел фотонов вблизи квантового фазового перехода. Полученные результаты, в частности, могут быть полезными для понимания того, как оптимально управлять многокубитными системами. Одной из самых обсуждаемых схем квантовых вычислений является концепция топологических квантовых вычислений. Экспериментально такой класс вычислений возможно проводить с помощью квазичастичных состояний в сверхпроводниках – фермионов Майораны. Одной из возможных реализаций являются квазичастичные состояния в абрикосовских и джозефсоновских вихрях на сверхпроводящей поверхности топологического изолятора. В рамках проекта будут изучены квазичастичные состояния в джозефсоновских вихрях, расположенных между двумя сверхпроводниками на поверхности топологического изолятора. Также будет изучена сверхпроводимость в допированных топологических изоляторах на предмет реализации фермионов Майораны. Полученные результаты позволят понять оптимальные параметры систем для реализации и управления майорановскими состояниями, что позволит приблизиться к реализации квантовых вычислений на их основе.