Supraledande kvantmikrovågskretsar kan fungera som kvantbitar, byggstenarna i en framtida kvantdator. En kritisk komponent i dessa kretsar, Josephson-korsningen, är vanligtvis tillverkad av aluminiumoxid. Forskare vid Quantum Nanoscience-avdelningen vid Delft University of Technology har nu framgångsrikt införlivat en grafen Josephson-övergång i en supraledande mikrovågskrets. Deras arbete ger ny insikt i samspelet mellan supraledning och grafen och dess möjligheter som material för kvantteknologier.

Den väsentliga byggstenen i en kvantdator är kvantbiten, eller qubit. Till skillnad från vanliga bitar, som antingen kan vara ett eller noll, qubits kan vara en, noll eller en överlagring av båda dessa tillstånd. Denna sista möjlighet, att bitar kan vara i en överlagring av två tillstånd samtidigt, tillåter kvantdatorer att fungera på sätt som inte är möjliga med klassiska datorer. Konsekvenserna är djupgående:Kvantdatorer kommer att kunna lösa problem som kommer att ta en vanlig dator längre än universums ålder att lösa.

Det finns många sätt att skapa qubits. En av de beprövade metoderna är att använda supraledande mikrovågskretsar. Dessa kretsar kan konstrueras på ett sådant sätt att de beter sig som harmoniska oscillatorer  "Om vi ​​lägger en laddning på ena sidan, den kommer att gå genom induktorn och svänga fram och tillbaka, " sa professor Gary Steele. "Vi gör våra qubits av de olika tillstånden av denna laddning som studsar fram och tillbaka."

En väsentlig del av kvantmikrovågskretsar är den så kallade Josephson-övergången, som kan, till exempel, består av ett icke-supraledande material som separerar två lager av supraledande material. Par av supraledande elektroner kan tunnla genom denna barriär, från den ena supraledaren till den andra, vilket resulterar i en överström som kan flyta oändligt länge utan att någon spänning appliceras.

I toppmoderna Josephson-korsningar för kvantkretsar, den svaga länken är ett tunt lager av aluminiumoxid som separerar två aluminiumelektroder. "Dock, dessa kan bara ställas in med hjälp av ett magnetfält, potentiellt leda till överhörning och uppvärmning på chip, vilket kan komplicera deras användning i framtida applikationer, " sa Steele. Grafen erbjuder en möjlig lösning. Den har visat sig vara värd för robusta superströmmar över mikronavstånd som överlever i magnetfält på upp till några få Tesla. dessa enheter hade hittills varit begränsade till likströmstillämpningar (DC). Tillämpningar i mikrovågskretsar, såsom qubits eller parametriska förstärkare, inte hade utforskats.

Forskargruppen vid Delft University of Technology inkorporerade en grafen Josephson-korsning i en supraledande mikrovågskrets. Genom att karakterisera deras enhet i DC-regimen, de visade att deras grafen Josephson-övergång uppvisar ballistisk superström som kan ställas in med hjälp av en grindspänning, som förhindrar att enheten värms upp. När kretsen exciteras med mikrovågsstrålning, forskarna observerade direkt Josephson-induktansen för korsningen, som fram till denna punkt inte hade varit direkt tillgänglig i grafen supraledande enheter.

Forskarna tror att grafen Josephson-korsningar har potential att spela en viktig roll i framtida kvantdatorer. "Det återstår att se om de kan göras till livskraftiga qubits, dock, " sa Steele. Medan grafenkorsningarna var tillräckligt bra för att bygga qubits, de var inte lika sammanhängande som traditionella kvantmikrovågskretsar baserade på aluminiumoxidövergångar, så ytterligare utveckling av tekniken krävs. Dock, i applikationer som inte kräver hög koherens, gate tunability kan vara användbart nu. En sådan applikation är i förstärkare, som också är viktiga i kvantinfrastruktur. Steele:"Vi är väldigt glada över att använda dessa enheter för kvantförstärkarapplikationer."

Författarna har gjort all information som publicerats i manuskriptet tillgänglig i ett öppet arkiv, inklusive vägen hela vägen tillbaka till data som den mättes från instrumentet. Dessutom, forskarna släppte all programvara som användes för att mäta data, analysera data, och göra tomterna i figurerna under en öppen källkodslicens.

Resultaten av studien har publicerats i Naturkommunikation .