Fysiker från Forschungszentrum Jülich och Karlsruhe Institute of Technology har upptäckt att Josephson tunnel junctions – de grundläggande byggstenarna i supraledande kvantdatorer – är mer komplexa än man tidigare trott.
Precis som övertoner i ett musikinstrument är övertoner överlagrade på grundläget. Som en konsekvens kan korrigeringar leda till kvantbitar som är två till sju gånger mer stabila. Forskarna stödjer sina resultat med experimentella bevis från flera laboratorier över hela världen, inklusive universitetet i Köln, Ecole Normale Supérieure i Paris och IBM Quantum i New York.
Det hela började 2019, när Dr. Dennis Willsch och Dennis Rieger—två Ph.D. studenter från FZJ och KIT vid den tiden och gemensamma första författare till en ny artikel publicerad i Nature Physics — hade svårt att förstå sina experiment med standardmodellen för Josephson-tunnelkorsningar. Denna modell hade vunnit Brian Josephson Nobelpriset i fysik 1973.
Teamet ledd av professor Ioan Pop var spända på att gå till botten med detta och granskade ytterligare data från Ecole Normale Supérieure i Paris och en 27-qubit-enhet vid IBM Quantum i New York, samt data från tidigare publicerade experiment. Oberoende observerade forskare från universitetet i Köln liknande avvikelser i deras data från standardmodellen.
"Lyckligtvis sammanförde Gianluigi Catelani, som var involverad i båda projekten och insåg överlappningen, forskarteamen", minns Dr. Dennis Willsch från FZ Jülich. "Timingen var perfekt", tillägger Dr. Chris Dickel från universitetet i Köln, "eftersom vi vid den tiden utforskade helt olika konsekvenser av samma underliggande problem."
Josephson tunnel junctions består av två supraledare med en tunn isolerande barriär däremellan och i årtionden har dessa kretselement beskrivits med en enkel sinusformad modell (se bilden nedan).
Men, som forskarna visar, misslyckas denna "standardmodell" att fullständigt beskriva Josephson-korsningarna som används för att bygga kvantbitar. Istället krävs en utökad modell med högre övertoner för att beskriva tunnelströmmen mellan de två supraledarna. Principen finns även inom musikområdet. När strängen på ett instrument slås, överlagras grundfrekvensen av flera harmoniska övertoner.
"Det är spännande att mätningarna i samhället har nått den nivå av noggrannhet med vilken vi kan lösa dessa små korrigeringar till en modell som har ansetts tillräcklig i mer än 15 år", säger Dennis Rieger.
När de fyra samordnande professorerna – Ioan Pop från KIT och Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen och David DiVincenzo från FZJ – insåg effekten av resultaten, sammanförde de det stora samarbetet mellan experimentalister, teoretiker och materialvetare för att gå med i deras ansträngningar för att presentera ett övertygande fall för Josephsons harmoniska modell.
I Naturfysik publikationen utforskar forskarna ursprunget och konsekvenserna av Josephsons övertoner. "Som en omedelbar konsekvens tror vi att Josephsons övertoner kommer att hjälpa till att konstruera bättre och mer tillförlitliga kvantbitar genom att reducera fel upp till en storleksordning, vilket för oss ett steg närmare drömmen om en helt universell supraledande kvantdator." två första författare avslutar.
Mer information: Dennis Willsch et al, Observation of Josephson harmonics in tunnel junctions, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02400-8
Tillhandahålls av Karlsruhe Institute of Technology
