Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states

A defining characteristic of superconductors is their tendency to expel magnetic fields, yet above a critical threshold, magnetic flux penetrates in discrete quanta carried by Abrikosov vortices. The superconducting gap is completely suppressed at the vortex core, rendering them dissipative, semi-classical entities that impact applications from high-current-density wires to quantum devices. Material disorder can drive a crossover to vortices that preserve an energy gap at the core, owing to intrinsic&nbsp;or emergent granularity on the scale of the coherence length. Although quantum vortex behaviour could emerge in this effective tunnel-junction regime, and signatures have been observed in diverse systems, coherent manipulation of vortex states has remained elusive. Here we present evidence that vortices trapped in granular superconducting films can behave as two-level systems, exhibiting microsecond-range quantum coherence and energy relaxation times that reach fractions of a millisecond. Using the tools of circuit quantum electrodynamics, we perform coherent manipulation and quantum non-demolition readout of vortex states in granular aluminium microwave resonators, heralding future directions for quantum information processing, materials characterization and sensing.

Nature

2026

Magnetic properties and materials

Quantum information

Qubits

Single photons and quantum effects

Superconducting properties and materials

A defining characteristic of superconductors is their tendency to expel magnetic fields, yet above a critical threshold, magnetic flux penetrates in discrete quanta carried...

Команда Иоана М. Попа из Технологического института Карлсруэ (Германия) реализовала квантовое когерентное управление и считывание сверхпроводящих вихревых состояний. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nature 6 мая 2026 года.Характерной особенностью сверхпроводников является их стремление вытеснять магнитное поле, однако при превышении некоторого критического порога магнитный поток проникает внутрь в виде дискретных квантов, переносимых вихрями Абрикосова. В ядре такого вихря сверхпроводящая щель полностью подавлена, что превращает его в диссипативную полуклассическую сущность, влияющую на применение сверхпроводников — от проводов с высокой плотностью тока до квантовых устройств.Из-за наличия собственной или возникающей гранулярности в масштабе длины когерентности, неоднородность материала может приводить к вихревому переходу, при котором в ядре сохраняется энергетическая щель. Хотя в таком режиме эффективного туннельного перехода возможно проявление квантового вихревого поведения, и в различных системах наблюдались соответствующие признаки, когерентное управление вихревыми состояниями до сих пор не было достигнуто.Исследовательская группа предоставила доказательства того, что вихри, захваченные в гранулированной сверхпроводящей плёнке, могут вести себя как двухуровневые системы, демонстрируя квантовую когерентность в микросекундном диапазоне и времена энергетической релаксации, достигающие долей миллисекунды. Используя методы схемной квантовой электродинамики, группа реализовала когерентное управление вихревыми состояниями и их неразрушающее считывание в микроволновом резонаторе на основе гранулированного алюминия, что открывает перспективы для квантовой обработки информации, характеризации материалов и сенсорики.

Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states

Authors

Ameya Nambisan

Simon Günzler

Dennis Rieger

Nicolas Gosling

Simon Geisert

Victor Carpentier

Nicolas Zapata

Mitchell Field

Milorad V. Milošević

Carlos A. Diaz Lopez

We recommend that you study