Supergeleidende kwantummicrogolfcircuits kunnen functioneren als qubits, de bouwstenen van een toekomstige kwantumcomputer. Een cruciaal onderdeel van deze circuits, het Josephson-knooppunt, wordt meestal gemaakt met behulp van aluminiumoxide. Onderzoekers van de afdeling Quantum Nanoscience van de TU Delft hebben nu met succes een grafeen Josephson-junctie in een supergeleidend microgolfcircuit ingebouwd. Hun werk geeft nieuw inzicht in de interactie van supergeleiding en grafeen en de mogelijkheden ervan als materiaal voor kwantumtechnologieën.

De essentiële bouwsteen van een kwantumcomputer is de kwantumbit, of qubit. In tegenstelling tot gewone bits, die één of nul kan zijn, qubits kunnen één zijn, nul of een superpositie van beide toestanden. Deze laatste mogelijkheid, dat bits tegelijkertijd in een superpositie van twee toestanden kunnen zijn, laat kwantumcomputers werken op manieren die niet mogelijk zijn met klassieke computers. De implicaties zijn ingrijpend:kwantumcomputers zullen in staat zijn om problemen op te lossen waarvoor een gewone computer meer tijd nodig heeft dan de leeftijd van het universum om op te lossen.

Er zijn veel manieren om qubits te maken. Een van de beproefde methoden is het gebruik van supergeleidende microgolfcircuits. Deze circuits kunnen zo worden ontworpen dat ze zich gedragen als harmonische oscillatoren "Als we aan één kant een lading plaatsen, het zal door de spoel gaan en heen en weer oscilleren, "zei professor Gary Steele. "We maken onze qubits van de verschillende toestanden van deze lading die heen en weer stuitert."

Een essentieel element van kwantummicrogolfcircuits is de zogenaamde Josephson-junctie, welke kan, bijvoorbeeld, bestaan ​​uit een niet-supergeleidend materiaal dat twee lagen supergeleidend materiaal van elkaar scheidt. Paren supergeleidende elektronen kunnen door deze barrière tunnelen, van de ene supergeleider naar de andere, wat resulteert in een superstroom die oneindig lang kan stromen zonder dat er spanning wordt aangelegd.

In ultramoderne Josephson-knooppunten voor kwantumcircuits, de zwakke schakel is een dunne laag aluminiumoxide die twee aluminiumelektroden scheidt. "Echter, deze kunnen alleen worden afgestemd met behulp van een magnetisch veld, mogelijk leidend tot overspraak en on-chip verwarming, wat het gebruik ervan in toekomstige toepassingen kan bemoeilijken, " zei Steele. Grafeen biedt een mogelijke oplossing. Het heeft bewezen robuuste superstromen te bevatten over micronafstanden die overleven in magnetische velden tot een paar Tesla. deze apparaten waren tot nu toe beperkt tot gelijkstroom (DC) toepassingen. Toepassingen in microgolfcircuits, zoals qubits of parametrische versterkers, niet was onderzocht.

Het onderzoeksteam van de Technische Universiteit Delft verwerkte een grafeen Josephson-junctie in een supergeleidend microgolfcircuit. Door hun apparaat te karakteriseren in het DC-regime, ze toonden aan dat hun grafeen Josephson-junctie ballistische superstroom vertoont die kan worden afgestemd met behulp van een poortspanning, waardoor het apparaat niet opwarmt. Bij het opwekken van het circuit met microgolfstraling, de onderzoekers observeerden direct de Josephson-inductantie van de kruising, die tot nu toe niet direct toegankelijk waren in supergeleidende grafeenapparaten.

De onderzoekers geloven dat grafeen Josephson-knooppunten het potentieel hebben om een ​​belangrijke rol te spelen in toekomstige kwantumcomputers. "Het valt nog te bezien of ze kunnen worden omgezet in levensvatbare qubits, echter, "zei Steele. Hoewel de grafeenknooppunten goed genoeg waren om qubits te bouwen, ze waren niet zo coherent als traditionele kwantummicrogolfcircuits op basis van aluminiumoxideverbindingen, dus verdere ontwikkeling van de technologie is nodig. Echter, in toepassingen die geen hoge coherentie vereisen, gate-afstembaarheid kan nu handig zijn. Een dergelijke toepassing is in versterkers, die ook belangrijk zijn in de kwantuminfrastructuur. Steele:"We zijn erg enthousiast over het gebruik van deze apparaten voor kwantumversterkertoepassingen."

De auteurs hebben alle in het manuscript gepubliceerde gegevens beschikbaar gesteld in een open repository, inclusief het pad helemaal terug naar de gegevens zoals deze vanaf het instrument werden gemeten. In aanvulling, de onderzoekers hebben alle software vrijgegeven die wordt gebruikt voor het meten van de gegevens, het analyseren van de gegevens, en het maken van de plots in de figuren onder een open source licentie.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .