Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Номер договора
11.G34.31.0062
Период реализации проекта
2011-2015

По данным на 01.11.2022

31
Количество специалистов
149
научных публикаций
7
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация

Ученые лаборатории проводят экспериментальные исследования электромагнитных свойств сверхпроводящих метаматериалов в диапазоне сверхвысоких частот с использованием одномерных и двумерных структур. Использование сверхпроводников для изготовления метаматериалов позволяет уменьшать размеры мета-атомов вплоть до наномасштаба, сохраняя при этом низкие потери, высокую однородность и частотную перестройку. Результаты исследований используются при создании новых устройств в области космических исследований, коммуникаций и сенсорных технологий.

Название проекта: Сверхпроводящие метаматериалы

Цели и задачи

Направления исследований: Создание сверхпроводящих метаматериалов и квантовых устройств на основе сверхпроводниковых кубитов, исследование их электрофизических свойств, а также разработка рекомендаций по их применению в низкотемпературной электронике, квантовых схемах, метрологии и квантовых вычислениях

Цель проекта: Исследование свойств сверхпроводящих метаматериалов на основе электромагнитных микроструктур

Практическое значение исследования

Научные результаты:        

  1. Впервые в России измерен сверхпроводниковый кубит – основной элемент для построения квантовых компьютеров (2013 г.).
  2. Впервые в мире реализован квантовый метаматериал из 20 сверхпроводниковых потоковых кубитов (2014 г.).
  3. Совместно с коллегами из МФТИ и ИФТТ РАН изготовлен и успешно испытан первый российский сверхпроводниковый кубит (2015 г.). 
  4. Разработана аналитическая модель спирального резонатора и исследованы метаматериалы на основе спиральных резонаторов (2016 г.).
  5. Впервые в мире исследованы двумерные массивы сверхпроводниковых мета-атомов с резонансными частотами в СВЧ-диапазоне и обнаружена их синхронизация (2015 г.).
  6. Разработан новый тип сверхпроводниковых кубитов – так называемые «зеркальные кубиты», и метаматериал на их основе (2017 г.).
  7. Разработана концепция нового сверхпроводящего болометра с микроволновым считыванием для применений в радиоастрономии (2017 г.).
  8. Создан принципиально новый тип сверхпроводящего кубита, основанный не на джозефсоновском переходе, а на сплошной сверхпроводящей нанопроволоке (2018 г.).
  9. Создан первый отечественный двухкубитный квантовый сверхпроводниковый процессор, на котором продемонстрирован квантовый алгоритм Гровера – решение задачи перебора (2019 г.).
  10. Разработан одномерный топологически нетривиальный квантовый метаматериал, описанный моделью Су-Шриффера-Хигера, на основе массива из 11 сверхпроводниковых кубитов (2020 г.).
  11. Реализован двухкубитный квантовый процессор с перестраиваемым взаимодействием между кубитами, на котором продемонстрированы однокубитные вентильные операции с точностью более 99,97% и двухкубитные вентильные операции с точность более 99,2% (2021 г.).
  12. Впервые в мире был продемонстрирован оптический отклик сверхпроводящего терагерцового болометра с электронным газом на основе пленки гафния с СВЧ считыванием и чувствительностью, определяемой фундаментальными пределом при сверхнизкой температуре 400 мК, для применения в радиоастрономии (2021 г.).

Внедрение результатов исследования:

  • Изобретение «Усиливающий сверхпроводящий метаматериал», авторы Шитов С.В., Эйсмонт С.В., Устинов А.В., патент РФ № 2579813, дата приоритета 30.12.2014.
  • Изобретение «Диэлектрический метаматериал с тороидным откликом», авторы Башарин А.А., Стенищев И.В., патент РФ № 2666965, дата приоритета 19.12.2016.
  • Изобретение «Бесконтактный датчик микрорельефа», автор Шитов С.В., патент РФ № 2688902, дата приоритета 25.06.2018.
  • Полезная модель «Камера дистанционного температурного контроля», автор Шитов С.В., патент РФ № 188418, дата приоритета 26.12.2018.
  • Изобретение «Сверхпроводящий термометр сопротивления», авторы Шитов С.В., Чичков В.И., Меренков А.В., патент РФ № 2756800, дата приоритета 08.12.2020.
  • Изобретение «Сверхпроводящий источник высокочастотного шума», авторы Ким Т.М., Шитов С.В., патент РФ № 2757858, дата приоритета 21.04.2021.
  • Изобретение «Сверхпроводящий источник термодинамического шума», авторы Ким Т.М., Шитов С.В., патент РФ № 2757756, дата приоритета 20.04.2021.

Образование и переподготовка кадров:

В НИТУ МИСИС создана современная хорошо оснащенная микроволновой и криогенной техникой исследовательская зона, которая включает чистую комнату класса ISO7 и 5 криостатов с низкими и сверхнизкими температурами. Студенты и аспиранты лаборатории на регулярной основе проходят стажировки в лаборатории ведущего ученого А.В. Устинова в Технологическом институте Карлсруэ (Германия) и других университетах и научных центрах в РФ и за рубежом.

Кроме того, студенты проходят интенсивное обучение, посещая лекции, школы и конференции по профилю исследований лаборатории. Среди лекционных курсов можно выделить курс «Сверхпроводящие кубиты», прочитанный ведущим ученым А.В. Устиновым для студентов МФТИ, НИТУ МИСИС, МГУ и других московских ВУЗов в Российском квантовом центре (ноябрь-декабрь 2012 г.), специальный курс для студентов и аспирантов НИТУ МИСИС «Сверхпроводимость и ее высокочастотные применения», прочитанный проф. А.А. Варламовым (апрель-май 2012 г.), курс «Экспериментальные и аналитические методы прикладной сверхпроводимости», читаемый проф. А.В. Карповым магистрантам кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ МИСИС, курс проф. А.В. Устинова «Введение в современные квантовые технологии» для студентов НИТУ МИСИС и МФТИ (2019 г.- н.в.), курс лекций проф. Шитова С.В. магистрантам кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ МИСИС «Сверхпроводниковые микросхемы СВЧ: разработка, изготовление и апробация» (2020 – н.в.).

Совместно с кафедрой теоретической физики и квантовых технологий в НИТУ МИСИС проведена международная конференция «Взаимодействие сверхпроводимости и магнетизма в наносистемах» (2015 г.).

В НИТУ МИСИС проведена серия Шмидтовских семинаров (2014–2018 гг.).

Совместно с МФТИ и Российским квантовым центром проведена международная конференция «Сверхпроводниковые квантовые технологии» (г. Москва, 2018 г.).

Организационные и инфраструктурные преобразования:

С созданием лаборатории в НИТУ МИСИС запущен ряд новых инфраструктурных проектов: проект «Физические основы современной микро- и наноэлектроники, включая сверхпроводящую электронику и спинтронику» (под руководством проф. Валерия Рязанова в 2014 г.),  «Нелинейная динамика, запутанность и самоорганизация в физике и технологиях» (под руководством проф. Георгиоса Цирониса в 2015 г.), «Сверхпроводящие гибридные структуры и метаматериалы для элементов квантовой электроники» (под руководством проф. Сергея Шитова в 2016 г.), «Возникновение квантовых фаз в материалах со спиновым и зарядовым упорядочением» (под руководством проф. Сиддхарта Саксены в 2017 г.), что позволило лаборатории значительно расширить как объем исследований, так и инфраструктурные возможности для решения экспериментальных задач.

В 2019 году при поддержке Минобрнауки России инфраструктурные возможности лаборатории для решения экспериментальных задач значительно возросли с вводом в эксплуатацию двух криостатов замкнутого цикла «Bluefors» LD250, дополнивших парк криогенного оборудования.

Другие результаты:

  • В 2016 г. лаборатория стала одним из ключевых участников первого российского проекта по сверхпроводниковым кубитам «Создание технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов» (2016 - 2019 гг.) при поддержке Фонда перспективных исследований, Минобрнауки России и ГК «Росатом». В рамках проекта инфраструктура лаборатории была дополнена самым современным оборудованием для создания и исследования многокубитных схем, включая уникальную установку электронно-лучевого напыления фирмы Plassys и комплекс микроволнового оборудования для проведения СВЧ измерений.
  • С 2021 года научный коллектив лаборатории проводит ежегодную международную школу для молодых ученых «Сверхпроводниковые технологии для обработки квантовой информации» (Superconducting Quantum Hardware, SQH) при поддержке Российского научного фонда. Школа предназначена для молодых ученых и начинающих исследователей в области физики, инженерии, квантовых технологий, в том числе аспирантов, студентов магистратуры и старших курсов бакалавриата. Первая школа SQH-2021 прошла в онлайн-формате в рамках конференции ISQT-2021 (г. Москва). Вторая школа SQH-2022 прошла в смешанном формате в рамках VIII Евроазиатского симпозиума «Тенденции в магнетизме» EASTMAG 2022 (г. Казань).

Сотрудничество:

  • Технологический институт Карлсруэ (Германия), МФТИ, Российский квантовый центр в Сколково, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (Россия): совместные исследования и научные мероприятия, студенческие обмены.
  • Институт фотонных технологий (Германия), Университет Крита (Греция), Мэрилендский университет (США), Университет Лафборо (Великобритания), Университет Твенте (Нидерланды), Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Россия): совместные исследования.
Скрыть Показать полностью
N. Moskalenko, I. A. Simakov, N. N. Abramov, A. A. Grigorev, D. O. Moskalev, A. A. Pishchimova, N. S. Smirnov, E. V. Zikiy, I. A. Rodionov and I. S. Besedin.
1. High fidelity two-qubit gates on fluxoniums using a tunable coupler. npj Quantum Information 8, 130 (2022). DOI: 10.1038/s41534-022-00644-x
G. S. Mazhorin, I. N. Moskalenko, I. S. Besedin, D. S. Shapiro, S. V. Remizov, W. V. Pogosov, D. O. Moskalev, A. A. Pishchimova , A. A. Dobronosova , I. A. Rodionov , A. V. Ustinov
Cavity-QED simulation of a quantum metamaterial with tunable disorder. Physical Review A 105, 033519 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevA.105.033519
I. N. Moskalenko, I. S. Besedin, I. A. Simakov, and A. V. Ustinov
Tunable coupling scheme for implementing two-qubit gates on fluxonium qubits. Appl. Phys. Lett. 119, 194001 (2021). DOI: 10.1063/5.0064800
I. S. Besedin, M. A. Gorlach, N. N. Abramov, I. Tsitsilin, I. N. Moskalenko, A. A. Dobronosova, D. O. Moskalev, A. R. Matanin, N. S. Smirnov, I. A. Rodionov, A. N. Poddubny, and A. V. Ustinov
1. Topological excitations and bound photon pairs in a superconducting quantum metamaterial. Physical Review B 103, 224520 (2021). DOI: 10.1103/PhysRevB.103.224520
L. Grünhaupt, M. Spiecker, D. Gusenkova, N. Maleeva, S. T. Skacel, I. Takmakov, F. Valenti, P. Winkel, H. Rotzinger, W. Wernsdorfer , A. V. Ustinov, and I. M. Pop
Granular aluminium as a superconducting material for high-impedance quantum circuits. Nature Materials 18, pp. 816–819 (2019). DOI: 10.1038/s41563-019-0350-3
K. V. Shulga, E. Il’ichev, M. V. Fistul, I. S. Besedin, S. Butz, O. V. Astafiev, U. Hubner, and A. V. Ustinov
1. Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin qubits. Nature Communications 9, 150 (2018). DOI: 10.1038/s41467-017-02608-8
N. Maleeva, L. Grünhaupt, T. Klein, F. Levy-Bertrand, O. Dupré, M. Calvo, F. Valenti, P. Winkel, F. Friedrich, W. Wernsdorfer, A. V. Ustinov, H. Rotzinger, A. Monfardini, M. V. Fistul, and I. M. Pop
Circuit quantum electrodynamics of granular aluminum resonators. Nature Communications 9, 3889 (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06386-9
A. A. Kuzmin, A. D. Semenov, S. V. Shitov, M. Merker, S. H. Wünsch, A. V. Ustinov, and M. Siegel
Superconducting noise bolometer with microwave bias and readout for array applications. Applied Physics Letters, 111 (4), 042601 (2017). DOI: 10.1063/1.4995981
N. Maleeva, A. N. Averkin, N. N. Abramov, M. V. Fistul, A. Karpov, A. P. Zhuravel, and A. V. Ustinov
Electrodynamics of planar Archimedean spiral resonator. Journal of Applied Physics, 118 (3), 033902 (2015). DOI: 10.1063/1.4923305
Фотоальбомы
Вторник , 03.12.2019
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория кристаллофотоники

Санкт-Петербургский государственный университет - (СПбГУ)

Физика

Санкт-Петербург

Стомпос Константинос

Греция

2022-2024

Лаборатория детекторов синхротронного излучения

Томский государственный университет (НИУ) - (ТГУ)

Физика

Томск

Шехтман Лев Исаевич

Россия

2022-2024

Лаборатория «Квантовая инженерия света»

Южно-Уральский государственный университет (НИУ) - (ЮУрГУ (НИУ))

Физика

Челябинск

Кулик Сергей Павлович

Россия

2022-2024