Kwantumtechnologie zou conventionele computers kunnen overtreffen op het gebied van sommige geavanceerde optimalisatie- en rekentaken. De afgelopen jaren hebben natuurkundigen gewerkt aan het identificeren van nieuwe strategieën om kwantumsystemen en veelbelovende qubits (dat wil zeggen basiseenheden van informatie in kwantumcomputers) te creëren.

Onderzoekers van het Institute for Complex Systems of CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids en andere instituten over de hele wereld hebben onlangs een nieuwe supergeleidende en capacitief overbrugde qubit geïntroduceerd, die ze 'flowermon' noemden. Deze qubit, geïntroduceerd in Physical Review Letters , is gebaseerd op gedraaide cuprate van der Waals-heterostructuren.

"Het project kwam tot stand door een mooi toeval, tijdens een poging om de talen van onze verschillende expertises in gesprekken te combineren", vertelde Uri Vool, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. "De initiële motivatie was het recente werk van onze medewerker Nicola Poccia, die erin slaagde een 'gedraaide van der Waals-heterostructuur' te realiseren, waarbij ze de hoek tussen individuele lagen in de nieuwe cuprate-supergeleider BSCCO kunnen regelen zonder de unieke eigenschappen ervan te verpesten.

"Nicola Poccia vroeg Valentina Brosco en mij of dit op een of andere manier gebruikt kon worden als qubit of apparaat voor kwantumtechnologie. Aanvankelijk was ik nogal sceptisch, maar dit leidde tot verschillende brainstormsessies tussen Valentina en mij die uiteindelijk samenkwamen op het idee gepresenteerd in ons papier."

Bij de meeste experimenten gericht op het creëren van kwantum-supergeleidende circuits is gebruik gemaakt van conventionele en uitgebreid bestudeerde supergeleidende materialen, zoals aluminium of niobium. Rond het jaar 2000 onderzochten enkele theoretische natuurkundigen echter het idee om tegen ruis beveiligde supergeleidende circuits te introduceren die gebruik maken van de unieke symmetrie van onconventionele supergeleiders.

Omdat het realiseren van dit idee in een experimentele setting destijds onhaalbaar leek, werden deze theoretische werken jarenlang verlaten. De recente studie van Vool, Poccia, Brosco en hun collega's brengt dit idee terug om een ​​nieuwe supergeleidende qubit te creëren.

"Toen supergeleidende circuits zich ontwikkelden, waren er verschillende voorstellen om circuits te creëren met bescherming tegen ruis door de circuitelementen zo te ontwerpen dat een symmetrie wordt bereikt," zei Vool. "Deze ideeën zijn erg interessant, maar experimentele implementatie was altijd een uitdaging omdat onvolkomenheden, bijvoorbeeld in de relatieve inductie van de circuitelementen of de toegepaste flux in de lus die ze vormen, de symmetrie verbraken en hun prestaties verslechterden.

"In de flowermon merkten we dat een eenvoudig circuit met een gedraaide Van der Waals-cuprate-heterostructuur ook deze bescherming biedt, die voortkomt uit de symmetrie van het materiaal zelf en niet uit de plaatsing van het circuit."

De unieke structuur en eigenschappen van de flowermon, de qubit die door dit onderzoeksteam is geïntroduceerd, kunnen de robuustheid van een supergeleidend circuit aanzienlijk vergroten, omdat afstemming of flux hierdoor niet meer nodig is. Voortbouwend op eerdere onderzoeksinspanningen gericht op beschermde circuits, hebben Vool en zijn collega's het potentieel aangetoond van materialen met een inherente symmetrie voor het creëren van kwantumsupergeleidende systemen.

"Ons werk laat zien dat het gebruik van materialen met inherente symmetrie in tegenstelling tot technische symmetrie een robuuste qubit oplevert die geen fijnafstemming vereist", legt Vool uit. "De flowermon moderniseert het oude idee van het gebruik van onconventionele supergeleiders voor beschermde kwantumcircuits en combineert het met nieuwe fabricagetechnieken en een nieuw begrip van de coherentie van supergeleidende circuits."

De nieuwe qubit die door de onderzoekers is geïntroduceerd, bestaat in wezen uit één enkel BSCCO van der Waals Josephson-knooppunt. Dit knooppunt heeft een draaihoek van ongeveer 45° en wordt overbrugd door een grote condensator en een uitleesbare supergeleidende resonator.

"Ondanks zijn eenvoud zorgt het unieke, gedraaide d-golfkarakter van de orderparameter ervoor dat de flowermon informatie kan coderen in pariteitsbehoudende eigentoestanden", zegt Valentina Brosco, co-auteur van het artikel. "In het ideale geval levert dit een orde van grootte verbetering op in de relaxatietijd ten opzichte van de bekende transmon. Bovendien suggereert de controle over de draaihoek die in het experiment is aangetoond dat, in tegenstelling tot wat er gebeurt in standaard d-golfovergangen, in de flowermon door quasideeltjes geïnduceerde dissipatie wordt exponentieel onderdrukt."

Het eenvoudige ontwerp van de flowermon maakt gebruik van de complexe en bijzondere kenmerken van Josephson-tunneling tussen twee dunne vlokken BSCCO met een relatieve draaihoek.

Een ander voordeel van de nieuwe qubit is de kenmerkende spectrale structuur, die de manipulatie van circuit-kwantumelektrodynamica (cQED) en uitleesschema's mogelijk maakt.

"Ik denk dat de flowermon een uitstekende illustratie is van de opkomende functionaliteiten die haalbaar zijn door de integratie van complexe materialen en heterostructuren in kwantumapparaten, vooral op het gebied van supergeleidende circuits", aldus Brosco. "Wat ik buitengewoon interessant en fascinerend vond, is dat de kracht van het flowermon-circuit is ingebouwd in de veel-lichamen-golffunctie die leidt tot een stroom-faserelatie met een dominante tunnelterm van twee koperparen."

In tegenstelling tot andere pariteitsbeveiligde qubits die worden gerealiseerd via complexe circuittechniek, vertrouwt de flowermon op natuurlijk voorkomende fysieke mechanismen. De gerapporteerde robuustheid van dit unieke ontwerp zou andere natuurkundigen kunnen inspireren om het potentieel van gedraaide Van der Waals-cuprate heterostructuren voor het creëren van supergeleidende circuits te onderzoeken.

"Het idee achter de flowermon kan in verschillende richtingen worden uitgebreid:het zoeken naar verschillende supergeleiders of knooppunten die vergelijkbare effecten opleveren, het onderzoeken van de mogelijkheid om nieuwe kwantumapparaten te realiseren op basis van de flowermon", aldus Brosco. "Deze apparaten zouden de voordelen van kwantummaterialen en coherente kwantumcircuits combineren of het flowermon- of verwante ontwerp gebruiken om de fysica van complexe supergeleidende heterostructuren te onderzoeken."

Vool, Brosco en hun medewerkers zijn nu van plan aanvullende theoretische en experimentele onderzoeken uit te voeren. In hun theoretische werk zijn ze van plan verschillende aspecten van het circuit dat ze hebben geïntroduceerd aan te pakken.

Met name het flowermon-circuit opent een nieuwe mogelijke route voor het verbreden van het begrip van onconventionele supergeleiders met behulp van kwantumcircuits. Dit is zeer relevant, omdat de eigenschappen van deze materialen een van de grootste mysteries in de fysica van de gecondenseerde materie blijven.

"Dit is slechts het eerste eenvoudige concrete voorbeeld van het gebruik van de inherente eigenschappen van een materiaal om een ​​nieuw kwantumapparaat te maken, en we hopen daarop voort te bouwen en aanvullende voorbeelden te vinden, waardoor uiteindelijk een onderzoeksveld ontstaat dat complexe materiaalfysica combineert met kwantumapparaten ," voegde Vool eraan toe.

"Experimenteel gezien is er nog heel wat werk in de richting van de implementatie van dit voorstel. We fabriceren en meten momenteel hybride supergeleidende circuits die deze van der Waals-supergeleiders integreren, en hopen deze circuits te gebruiken om het materiaal beter te begrijpen, en uiteindelijk te ontwerpen en te meten beschermde hybride supergeleidende circuits om er echt bruikbare apparaten van te maken."

Meer informatie: Valentina Brosco et al., Supergeleidende Qubit gebaseerd op gedraaide Cuprate Van der Waals heterostructuren, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.017003. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.00839

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

© 2024 Science X Netwerk