Natuurkundigen van het Forschungszentrum Jülich en het Karlsruhe Institute of Technology hebben ontdekt dat Josephson-tunnelverbindingen – de fundamentele bouwstenen van supergeleidende kwantumcomputers – complexer zijn dan eerder werd gedacht.

Net als boventonen in een muziekinstrument worden harmonischen over de grondtoon heen gelegd. Als gevolg hiervan kunnen correcties leiden tot kwantumbits die twee tot zeven keer stabieler zijn. De onderzoekers ondersteunen hun bevindingen met experimenteel bewijsmateriaal uit meerdere laboratoria over de hele wereld, waaronder de Universiteit van Keulen, Ecole Normale Supérieure in Parijs en IBM Quantum in New York.

Het begon allemaal in 2019, toen Dr. Dennis Willsch en Dennis Rieger – twee Ph.D. destijds studenten van FZJ en KIT en gezamenlijke eerste auteurs van een nieuw artikel gepubliceerd in Nature Physics – hadden moeite met het begrijpen van hun experimenten met behulp van het standaardmodel voor Josephson-tunnelknooppunten. Dit model had Brian Josephson in 1973 de Nobelprijs voor de natuurkunde opgeleverd.

Opgewonden om dit tot op de bodem uit te zoeken, onderzocht het team onder leiding van professor Ioan Pop verdere gegevens van de Ecole Normale Supérieure in Parijs en een 27-qubit-apparaat bij IBM Quantum in New York, evenals gegevens van eerder gepubliceerde experimenten. Onafhankelijk daarvan constateerden onderzoekers van de Universiteit van Keulen soortgelijke afwijkingen van hun gegevens ten opzichte van het standaardmodel.

"Gelukkig bracht Gianluigi Catelani, die bij beide projecten betrokken was en de overlap besefte, de onderzoeksteams bij elkaar", herinnert Dr. Dennis Willsch van FZ Jülich zich. "De timing was perfect", voegt dr. Chris Dickel van de Universiteit van Keulen toe, "aangezien we destijds heel verschillende gevolgen van hetzelfde onderliggende probleem aan het onderzoeken waren."

Josephson-tunnelovergangen bestaan ​​uit twee supergeleiders met daartussen een dunne isolatiebarrière. Deze circuitelementen worden al tientallen jaren beschreven met een eenvoudig sinusoïdaal model (zie onderstaande afbeelding).

Zoals de onderzoekers echter aantonen, slaagt dit ‘standaardmodel’ er niet in om de Josephson-overgangen die worden gebruikt om kwantumbits te bouwen volledig te beschrijven. In plaats daarvan is een uitgebreid model met hogere harmonischen nodig om de tunnelstroom tussen de twee supergeleiders te beschrijven. Het principe vind je ook op het gebied van muziek. Wanneer de snaar van een instrument wordt aangeslagen, wordt de grondfrequentie bedekt door verschillende harmonische boventonen.

"Het is opwindend dat de metingen in de gemeenschap het nauwkeurigheidsniveau hebben bereikt waarop we deze kleine correcties kunnen oplossen in een model dat al meer dan 15 jaar als voldoende wordt beschouwd", merkt Dennis Rieger op.

Toen de vier coördinerende professoren – Ioan Pop van het KIT en Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen en David DiVincenzo van FZJ – de impact van de bevindingen beseften, brachten ze de grote samenwerking van experimentatoren, theoretici en materiaalwetenschappers samen om hun inspanningen te bundelen bij het presenteren van een overtuigend argument voor het Josephson-harmonischenmodel.

In de Natuurfysica publicatie onderzoeken de onderzoekers de oorsprong en gevolgen van Josephson-harmonischen. “Als onmiddellijk gevolg geloven wij dat Josephson-harmonischen zullen helpen bij het ontwikkelen van betere en betrouwbaardere kwantumbits door fouten tot een orde van grootte terug te brengen, wat ons een stap dichter bij de droom van een volledig universele supergeleidende kwantumcomputer brengt”, aldus de onderzoekers. concluderen twee eerste auteurs.

Meer informatie: Dennis Willsch et al, Observatie van Josephson-harmonischen in tunnelovergangen, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02400-8

Aangeboden door Karlsruhe Instituut voor Technologie