Kvantteknik kan överträffa konventionella datorer i vissa avancerade optimerings- och beräkningsuppgifter. Under de senaste åren har fysiker arbetat med att identifiera nya strategier för att skapa kvantsystem och lovande kvantbitar (d.v.s. grundläggande informationsenheter i kvantdatorer).
Forskare vid Institute for Complex Systems of CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids och andra institut över hela världen har nyligen introducerat en ny supraledande och kapacitivt shuntad qubit, som de kallade "flowermon". Denna qubit, introducerad i Physical Review Letters , är baserad på vridna cuprate van der Waals heterostrukturer.
"Projektet kom till av en trevlig chans, under ett försök att kombinera språken för vår olika expertis i konversation," berättade Uri Vool, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Den första motivationen var det senaste arbetet av vår medarbetare Nicola Poccia, som kunde uppnå en "tvinnad van der Waals heterostruktur" där de kan kontrollera vinkeln mellan individuella lager i den nya kupratsupraledaren BSCCO utan att förstöra dess unika egenskaper.
"Nicola Poccia frågade Valentina Brosco och jag om det här kunde användas på något sätt som en qubit eller enhet för kvantteknologi. Till en början var jag ganska skeptisk, men detta ledde till flera brainstormingsessioner mellan Valentina och jag som så småningom konvergerade på idén som presenterades i vår tidning."
De flesta experiment som syftar till att skapa kvantsupraledande kretsar har använt konventionella och omfattande studerade supraledande material, såsom aluminium eller niob. Runt år 2000 undersökte dock några teoretiska fysiker idén att introducera brusskyddade supraledande kretsar som utnyttjar den unika symmetrin hos okonventionella supraledare.
Eftersom det verkade omöjligt att förverkliga denna idé i experimentella miljöer vid den tiden, övergavs dessa teoretiska verk i flera år. Den nyligen genomförda studien av Vool, Poccia, Brosco och deras kollegor tar tillbaka denna idé för att skapa en ny supraledande qubit.
"När supraledande kretsar utvecklades, fanns det flera förslag för att skapa kretsar med skydd mot brus genom att designa kretselementen på ett sätt som uppnår en symmetri," sa Vool. "Dessa idéer är mycket intressanta, men experimentell implementering var alltid utmanande eftersom ofullkomligheter, t.ex. i den relativa induktansen för kretselementen eller det applicerade flödet i slingan de bildar, bröt symmetrin och försämrade deras prestanda.
"Hos flowermon märkte vi att en enkel krets som använder en vriden van der Waals cuprate heterostruktur också ger detta skydd, som kommer från materialets symmetri och inte kretsplaceringen."
Den unika strukturen och egenskaperna hos flowermon, qubiten som introducerats av detta forskarteam, kan avsevärt förbättra robustheten hos en supraledande krets, eftersom den tar bort behovet av trimning eller flux. Med utgångspunkt i tidigare forskningsansträngningar med fokus på skyddade kretsar, visade Vool och hans kollegor potentialen hos material med en inneboende symmetri för att skapa kvantsupraledande system.
"Vårt arbete visar att användning av material med inneboende symmetri i motsats till konstruerad symmetri ger en robust qubit som inte kräver finjustering," förklarade Vool. "The flowermon moderniserar den gamla idén att använda okonventionella supraledare för skyddade kvantkretsar och kombinerar den med nya tillverkningstekniker och en ny förståelse av supraledande krets koherens."
Den nya qubit som introducerades av forskarna består i huvudsak av en enda BSCCO van der Waals Josephson-korsning. Denna korsning har en vridningsvinkel på cirka 45°, shuntad av en stor kondensator och en utläsande supraledande resonator.
"Trots sin enkelhet tillåter den unika vridna d-vågsnaturen hos ordningsparametern flowermonen att koda information i paritetsbevarande egentillstånd," sa Valentina Brosco, medförfattare till tidningen. "Helst sett ger detta en förbättring av avslappningstiden i storleksordningar jämfört med den välkända transmonen. Dessutom tyder kontrollen över vridningsvinkeln som demonstrerades i experimentet att, i motsats till vad som händer i vanliga d-vågsövergångar, hos flowermon kvasipartikelinducerad dissipation är exponentiellt undertryckt."
Blommans enkla design utnyttjar de komplexa och säregna egenskaperna hos Josephsons tunnling mellan två tunna flingor av BSCCO med en relativ vridningsvinkel.
En ytterligare fördel med den nya qubiten är dess distinkta spektrala struktur, som möjliggör manipulering av krets kvantelektrodynamik (cQED) och utläsningsscheman.
"Jag tror att flowermon ger en utmärkt illustration av de framväxande funktionaliteterna som kan uppnås genom integrering av komplexa material och heterostrukturer i kvantenheter, särskilt inom sfären av supraledande kretsar," sa Brosco. "Vad jag fann extremt intressant och fascinerande är att styrkan hos flowermon-kretsen är inbyggd i den många kroppsvågfunktionen som leder till en ström-fasrelation med en dominerande två kopparpars tunnelterm."
Till skillnad från andra paritetsskyddade qubits som realiseras genom komplex kretsteknik, förlitar sig flowermon på naturligt förekommande fysiska mekanismer. Den rapporterade robustheten hos denna unika design kan inspirera andra fysiker att utforska potentialen hos vridna van der Waals cuprate-heterostrukturer för att skapa supraledande kretsar.
"Idén bakom flowermon kan utvidgas i flera riktningar:att söka efter olika supraledare eller korsningar som ger liknande effekter, utforska möjligheten att realisera nya kvantenheter baserade på flowermon," sa Brosco. "Dessa enheter skulle kombinera fördelarna med kvantmaterial och koherenta kvantkretsar eller använda flowermon eller relaterad design för att undersöka fysiken hos komplexa supraledande heterostrukturer."
Vool, Brosco och deras medarbetare planerar nu att genomföra ytterligare teoretiska och experimentella studier. I sitt teoretiska arbete planerar de att ta upp olika aspekter av den krets som de introducerade.
Noterbart öppnar flowermon-kretsen en ny möjlig väg för att bredda förståelsen av okonventionella supraledare med hjälp av kvantkretsar. Detta är mycket relevant, eftersom egenskaperna hos dessa material förblir ett av de största mysterierna inom den kondenserade materiens fysik.
"Detta är bara det första enkla konkreta exemplet på att använda de inneboende egenskaperna hos ett material för att göra en ny kvantanordning, och vi hoppas kunna bygga vidare på det och hitta ytterligare exempel, och så småningom etablera ett forskningsfält som kombinerar komplex materialfysik med kvantanordningar ", tillade Vool.
"Experimentellt finns det fortfarande en hel del arbete för att implementera detta förslag. Vi tillverkar och mäter för närvarande hybrid supraledande kretsar som integrerar dessa van der Waals supraledare, och hoppas kunna använda dessa kretsar för att bättre förstå materialet, och så småningom designa och mäta skyddade hybrid supraledande kretsar för att göra dem till verkliga användbara enheter."
Mer information: Valentina Brosco et al, Superconducting Qubit Based on Twisted Cuprate Van der Waals Heterostructures, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.017003. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.00839
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
