Higher Josephson harmonics in a tunable double-junction transmon qubit
Diese Arbeit demonstriert ein abstimmbares Doppel-Junction-Transmon-Qubit mit einem Josephson-Potenzial mit magnetflussgesteuerten Harmonischen, wobei die Spektroskopie eine zweite Harmonische mit einer Amplitude von bis zu ~10 % offenbart und einen Fluss-Sweet-Spot identifiziert, der dispersive Verschiebungen durch das Ausbalancieren der Kopplungen an interne und Qubit-Moden eliminiert.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich die Welt des Quantencomputings als ein hochkarätiges Spiel von Stühlenraub vor, bei dem es jedoch nicht um Stühle, sondern um winzige Energiepakete namens „Qubits“ geht. Um diese Qubits zum Arbeiten zu bringen, bauen Wissenschaftler sie aus supraleitenden Schaltkreisen zusammen – Drahtschleifen, die Strom mit null Widerstand leiten, wenn sie auf nahe den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Die Geheimzutat, die diese Schaltkreise dazu bringt, sich wie Quantenbits und nicht wie gewöhnliche Drähte zu verhalten, ist eine spezielle Komponente namens Josephson-Kontakt. Stellen Sie sich einen Josephson-Kontakt als eine magische, ultra-dünne Tür zwischen zwei supraleitenden Räumen vor. Er lässt Paare von Elektronen (genannt Cooper-Paare) hindurchschlüpfen, aber nur, wenn sie dies auf eine ganz bestimmte, rhythmische Weise tun. Dieser Rhythmus erzeugt eine „Potenzialenergie-Landschaft“, die man sich wie einen welligen Hügel oder ein Tal vorstellen kann, in dem sich die Elektronen gerne niederlassen.
Jahrzehntelang haben Wissenschaftler diese Hügel als einfache, glatte Wellen behandelt, wie eine perfekte Sinuswelle, die man in einem grundlegenden Physiklehrbuch finden könnte. Diese einfache Form verleiht den Qubits ihre spezielle „Anharmonizität“ – ein schickes Wort dafür, dass die Energieschritte zwischen den Ebenen ungleichmäßig sind, was entscheidend ist, um die „0“- und „1“-Zustände des Computers voneinander zu unterscheiden. Jedoch haben jüngste Experimente angedeutet, dass diese Hügel komplexer sein könnten, als wir dachten. Genau wie eine Musiknote versteckte Obertöne (höhere Harmonische) haben kann, die ihre Farbe oder ihren Klang verändern, könnten diese Quanten-Kontakte auch versteckte „höhere Harmonische“ in ihren Energiewellen besitzen. Wenn wir lernen können, diese versteckten Harmonischen zu kontrollieren, könnten wir Qubits bauen, die wesentlich robuster gegen Rauschen und Fehler sind, was potenziell zu einer Zukunft führen könnte, in der Quantencomputer stabil genug sind, um Probleme zu lösen, die wir uns heute noch gar nicht vorstellen können.
In dieser neuen Studie hat ein Team von Forschern der Universität Kopenhagen und Kollaborateuren ein kluges neues Gerät gebaut, um diese Idee zu testen. Sie haben einen „abstimmbaren Doppel-Josephson-Transmon“ entwickelt, was im Wesentlichen ein Schaltkreis ist, der aus zwei hintereinander geschalteten Josephson-Kontakten besteht: Einer ist ein einzelner Kontakt, und der andere ist eine Schleife mit zwei Kontakten im Inneren (ein sogenannter SQUID). Stellen Sie sich diesen Aufbau wie ein Musikinstrument vor, bei dem man eine Saite fester oder lockerer ziehen kann (indem man ein Magnetfeld anlegt), um die Form des Klangs zu verändern. Durch das Durchleiten eines magnetischen Flusses durch die SQUID-Schleife konnte das Team die Energie-Landschaft ihres Qubits dynamisch umgestalten und effektiv die „musikalischen Noten“ des Schaltkreises abstimmen.
Was sie herausgefunden haben, ist ziemlich aufregend. Durch die Messung der Energieübergänge ihres Qubits entdeckten sie, dass sie eine „zweite Harmonische“ – eine höherfrequente Welle in der Energiewelle – erzeugen konnten, die überraschend stark war. In ihrem symmetrischsten Aufbau erreichte diese zweite Harmonische etwa 10 % der Stärke der Hauptwelle. Um das einzuordnen: Vorherige Experimente mit einzelnen Kontakten hatten nur winzige, fast unsichtbare Wellenbewegungen beobachtet. Dies ist vergleichbar mit dem Übergang vom Hören eines schwachen Flüsterns einer zweiten Note zum Hören eines klaren, deutlichen Harmonischen. Die Forscher bestätigten dies durch den Bau eines detaillierten Computermodells, das eine „interne Mode“ enthielt – eine versteckte Vibration der winzigen supraleitenden Materialinsel, die sich zwischen den beiden Kontakten befindet. Diese interne Mode wirkt wie ein verstecktes Zahnrad in einer Maschine, das die Hauptbewegung leicht umgestaltet, und ihr Modell zeigte, dass dieses versteckte Zahnrad für die beobachteten zusätzlichen Harmonischen verantwortlich war.
Das Team stieß zudem auf einen sehr speziellen „Sweet Spot“ in seinem Experiment. Während sie den magnetischen Fluss anpassten, fanden sie einen spezifischen Punkt, an dem die übliche Wechselwirkung zwischen dem Qubit und ihrem Auslesegerät (einem Resonator) vollständig aufgehoben wurde. Normalerweise würde das Qubit die Frequenz des Resonators nach oben oder unten drücken, aber an diesem magischen Punkt wird der Druck der Haupt-Qubit-Mode perfekt durch einen Zug der internen Mode ausgeglichen, was zu einer Nettoverschiebung von Null führt. Dies ist ein wenig so, als würden zwei Personen eine Schaukel in entgegengesetzte Richtungen drücken, mit gleicher Kraft; die Schaukel bleibt vollkommen still. Diese Entdeckung ist bedeutend, da sie darauf hindeutet, dass es einen Weg gibt, Qubits zu bauen, die weniger empfindlich gegenüber bestimmten Arten von Rauschen sind, was potenziell zu robusteren Quantencomputern führen kann.
Das Paper behauptet nicht, alle Probleme des Quantencomputings gelöst zu haben, und es sagt auch nicht, dass diese neuen Qubits bereit für Ihr Wohnzimmer sind. Stattdessen liefert es eine solide, gemessene Demonstration, dass wir diese komplexen Energielandschaften in einem voll supraleitenden System konstruieren können. Die Forscher zeigten, dass wir durch das Spielen mit der Asymmetrie zwischen ihren beiden Kontakten Zugang zu einer reichen Vielfalt von Quantenverhalten erhalten konnten, die zuvor schwer erreichbar waren. Sie schlossen die Möglichkeit aus, dass diese Effekte lediglich zufälliges Rauschen oder einfache Artefakte waren, und bewiesen stattdessen, dass sie ein direktes Ergebnis des Designs des Schaltkreises und des Zusammenspiels zwischen dem Haupt-Qubit und seinem internen „Zwilling“ waren. Diese Arbeit öffnet eine neue Tür für das Design von „geschützten Qubits“ – Quantenbits, die natürlich vor Fehlern abgeschirmt sind – und legt nahe, dass die Zukunft der Quantenhardware darin bestehen könnte, diese verborgenen Harmonischen zu nutzen, um maßgeschneiderte Quantengeräte zu erschaffen.
Ertrinken Sie in Arbeiten in Ihrem Fachgebiet?
Erhalten Sie tägliche Digests der neuesten Arbeiten passend zu Ihren Forschungsbegriffen — mit technischen Zusammenfassungen, in Ihrer Sprache.