為什麼要開發一種可以解決很大問題的量子計算機？因為經典計算機要麼付出很大努力，要麼根本不能解決。這是目前全球越來越多研究團隊正在追求的目標。原因是：量子效應源於微小的量子粒子，使許多新的技術應用成為可能。所謂的超導奈米結構，能根據量子力學定律處理資訊和訊號，被認為是實現量子計算機很有前途的元器件。
然而，超導奈米結構的一個癥結是，它們只能在非常低的溫度下工作，因此很難投入實際應用。明斯特大學大學和於利希研究中心的研究人員，現在首次證明了由高溫超導體制成的奈米線能量量子化，在這種奈米線中，溫度升高到量子力學效應占主導地位的溫度以下。然後，超導奈米線只假定可以用來編碼資訊的選定能量狀態。在高溫超導體中，研究人員還首次觀察到了單個光子的吸收，這是一種用來傳遞資訊的輕粒子。
研究負責人、明斯特大學物理研究所的卡斯滕·舒克(Carsten Schuck)教授強調：一方面，研究結果有助於未來在量子技術中使用相當簡化的冷卻技術，另一方面，為我們提供了對超導狀態及其動力學過程的全新見解，此前這些過程仍然不清楚。因此，這一結果可能與新型計算機技術的發展有關，其研究成果已發表在《自然通訊》期刊上。
背景和方法科學家們使用了由釔、鋇、氧化銅和氧元素製成的超導奈米結構（簡稱YBCO），用這些超導體制造了幾根奈米細絲。當這些結構傳導電流時，稱為“相位滑移”的物理動力學就會發生。在超導奈米結構奈米線的情況下，電荷載流子密度的波動，會引起超導電流的變化。研究人員在低於20開爾文（相當於零下253攝氏度）的溫度下研究了納米線中的過程。結合模型計算，研究展示了納米線中能量狀態的量子化。
發現導線進入量子態的溫度是12到13開爾文，這個溫度比通常使用材料所需的溫度高几百倍。這使得科學家們能夠生產出壽命更長的諧振器，即調諧到特定頻率的振盪系統，並更長時間地保持量子力學狀態，這是越來越大量子計算機長期發展的前提。對於量子技術的發展，但也有可能用於醫療診斷的更重要元件，是甚至可以記錄單光子的探測器。
高溫超導體中單光子的吸收卡斯滕·舒克(Carsten Schuck)在明斯特大學的研究小組幾年來，一直致力於開發這種基於超導體的單光子探測器。世界各地的科學家十多年來一直試圖用高溫超導體來實現已經在低溫下工作得很好的東西。在用於研究的超導奈米結構奈米線中，這一嘗試現在首次成功，新研究發現為新的實驗驗證理論描述和技術發展鋪平了道路。
參考期刊《自然通訊》
DOI: 10.1038/s41467-020-14548-x