🔬 mesoscale physics

Controlled Parity of Cooper Pair Tunneling in a Hybrid Superconducting Qubit

Los autores demuestran un "cubit de paridad armónica" sintonizable por compuerta basado en un SQUID híbrido de InAs/Al que suprime con éxito los armónicos de Josephson impares para lograr un régimen de tunelamiento de paridad par controlable, ofreciendo un bloque de construcción simple para la ingeniería de Fourier en circuitos superconductores.

Autores originales: David Feldstein-Bofill, Leo Uhre Jacobsen, Ksenia Shagalov, Zhenhai Sun, Casper Wied, Shikhar Singh, Anders Kringhøj, Jacob Hastrup, András Gyenis, Karsten Flensberg, Svend Krøjer, Morten Kjaergaard

Publicado 2026-09-01

📖 5 min de lectura🧠 Análisis profundo

CC BY 4.0

Autores originales: David Feldstein-Bofill, Leo Uhre Jacobsen, Ksenia Shagalov, Zhenhai Sun, Casper Wied, Shikhar Singh, Anders Kringhøj, Jacob Hastrup, András Gyenis, Karsten Flensberg, Svend Krøjer, Morten Kjaergaard

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En el mundo de la computación cuántica, las máquinas más potentes dependen de circuitos hechos de materiales superconductores, que conducen la electricidad con cero resistencia. El corazón de estos circuitos es un componente diminuto llamado unión Josephson, un puente por donde los electrones pueden tunelizar a través de una barrera. Lo que hace especiales a estos circuitos no es solo que conducen electricidad, sino que lo hacen de una manera que crea un tipo único de fricción o no linealidad. Esta no linealidad permite a los científicos crear átomos artificiales, conocidos como qubits, que pueden existir en múltiples estados a la vez. Durante décadas, el diseño estándar para estos puentes ha sido notablemente simple, comportándose como una onda única y suave donde los electrones cruzan uno por uno en parejas. Este comportamiento predecible ha sido el motor del campo, permitiendo la creación de procesadores que ahora se están utilizando para resolver problemas complejos. Sin embargo, esta simplicidad también limita lo que estos circuitos pueden hacer. Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que si pudieran diseñar estos puentes para permitir que los electrones crucen en grupos de dos, tres o más al mismo tiempo, podrían crear qubits que estén naturalmente protegidos del ruido y los errores que plagan a las máquinas actuales. El desafío ha sido encontrar una manera de controlar exactamente cómo estos electrones se agrupan, cambiando el equilibrio de pares individuales a grupos más grandes sin construir estructuras imposiblemente complejas.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Copenhague ha demostrado ahora una forma de hacer exactamente esto, creando un nuevo tipo de elemento de circuito que puede sintonizarse para cambiar cómo tunelizan los electrones. Llaman a su invención el "qubit de paridad armónica". En su experimento, construyeron un dispositivo que combina dos tipos diferentes de puentes en un solo lazo. En un lado del lazo, colocaron dos uniones estándar de óxido de aluminio, que actúan como una columna vertebral estable e inalterable. En el otro lado, colocaron una unión hecha de un diminuto nanocable semiconductor recubierto de aluminio. Esta unión de nanocable es especial porque sus propiedades pueden ajustarse aplicando un voltaje a una compuerta cercana, de forma muy similar a girar una perilla para cambiar el flujo del tráfico. Al equilibrar cuidadosamente estos dos lados y aplicar un campo magnético específico, los investigadores pudieron hacer que los electrones tunelizaran en pares de pares, cancelando efectivamente el tunelamiento habitual de un solo par.

Los investigadores probaron su dispositivo midiendo cómo respondía a las señales de microondas mientras ajustaban el voltaje de la compuerta en un amplio rango de configuraciones. Descubrieron que, simplemente girando la perilla de voltaje, podían cambiar el comportamiento del dispositivo de comportarse como un bit cuántico estándar a comportarse como un tipo de sistema completamente diferente. En un extremo, el dispositivo actuaba normalmente, con electrones tunelizando de un par a la vez. A medida que ajustaban el voltaje, el comportamiento se convertía en una mezcla de tunelamiento simple y doble. Finalmente, en una configuración específica, alcanzaron un punto donde el tunelamiento de un solo par fue suprimido por un factor de cien en comparación con el tunelamiento de dos pares a la vez. En este estado, el paisaje de energía del dispositivo cambió de forma, formando un potencial de doble pozo donde los estados de menor energía estaban separados por una barrera que solo permitía que los electrones cruzaran en grupos de dos. Este es un logro significativo porque demuestra que la "paridad" del tunelamiento —si un número impar o par de pares cruza— puede controlarse con una sola perilla externa.

Este control es crucial para el futuro de la computación cuántica porque ofrece un camino hacia la construcción de qubits que estén inherentemente protegidos contra errores. En muchos diseños actuales, el estado de un qubit puede ser fácilmente alterado por el ruido aleatorio, lo que conduce a errores de cálculo. Sin embargo, si un qubit se diseña de modo que sus estados de menor energía solo permitan que los electrones se muevan en grupos de números pares, las leyes de la física impiden que ciertos tipos de ruido perturben el sistema. El nuevo dispositivo logra esto creando una situación donde los procesos de tunelamiento de números impares se cancelan entre sí, dejando solo los de números pares. Los investigadores demostraron que podían ajustar la relación entre el tunelamiento par e impar a través de un rango de casi dos órdenes de magnitud, convirtiendo efectivamente el dispositivo en un elemento programable para circuitos cuánticos. No solo simularon este efecto; lo midieron directamente usando espectroscopia, observando las transiciones de energía específicas que confirmaban el predominio del tunelamiento de números pares.

El dispositivo que construyeron es compacto y relativamente simple, consistente en un lazo superconductor con algunas uniones y un solo electrodo de compuerta. Esta simplicidad es una gran ventaja sobre intentos previos para lograr resultados similares, que a menudo requerían matrices complejas de muchas uniones o estructuras híbridas difíciles de controlar. Al usar una sola compuerta para ajustar el equilibrio entre los dos lados del lazo, los investigadores crearon una forma fiable de cambiar entre diferentes comportamientos cuánticos. Su trabajo demuestra que las propiedades fundamentales de un circuito superconductor pueden diseñarse sobre la marcha, permitiendo a los científicos diseñar el paisaje de energía de un qubit para satisfacer necesidades específicas. Esto abre la puerta a una nueva generación de dispositivos cuánticos donde la protección contra errores está integrada en el tejido mismo del circuito, en lugar de depender de complejas correcciones de software. La capacidad de controlar si los electrones tunelizan en unidades simples o dobles proporciona una nueva herramienta para construir computadoras cuánticas más robustas y potentes, acercando el campo al objetivo de crear máquinas que puedan operar de manera fiable en el mundo real.

Resumen Técnico: Paridad Controlada del Tunelamiento de Pares de Cooper en un Qubit Híbrido Superconductor

Planteamiento del Problema
Los circuitos cuánticos superconductores dependen de la no linealidad proporcionada por la relación de energía-fase de Josephson. Mientras que las uniones Josephson estándar están dominadas por el término fundamental $\cos(\phi)$ (que representa el tunelamiento de un solo par de Cooper), los armónicos de Fourier de orden superior $\cos(k\phi)$ , correspondientes al tunelamiento correlacionado de $k$ pares de Cooper, pueden alterar cualitativamente las propiedades del dispositivo, incluyendo las reglas de selección, la paridad de la función de onda y la sensibilidad al ruido. Controlar la paridad del proceso de tunelamiento dominante —específicamente, suprimir los armónicos impares para crear un régimen dominado por armónicos pares (por ejemplo, $\cos(2\phi)$ )— es un objetivo crítico para la realización de qubits intrínsecamente protegidos y la ingeniería avanzada de Hamiltonianos. Sin embargo, lograr este control ha requerido históricamente arquitecturas híbridas o de múltiples uniones complejas que son difíciles de sintonizar con un único parámetro externo. Las uniones existentes de superconductor-semiconductor-superconductor (S-Sm-S) ofrecen armónicos sintonizables, pero carecen de un mecanismo compacto y fiable para alternar entre regímenes dominados por impares y pares dentro de un solo elemento de circuito.

Metodología
Los autores introducen un "Qubit de Paridad Armónica" (HPQ, por sus siglas en inglés), un elemento de circuito híbrido diseñado para controlar programáticamente la paridad de los armónicos de Josephson. El dispositivo es un Dispositivo de Interferencia Cuántica Superconductora (SQUID) con dos brazos distintos:

Brazo Fijo: Dos uniones de túnel de óxido de aluminio (Al/AlOx/Al) (SIS-SIS) en serie. Este brazo proporciona una columna vertebral armónica estable, determinada por la fabricación, con un contenido de armónicos de orden superior fijo.
Brazo Sintonizable: Una unión de nanocable de arseniuro de indio/aluminio (InAs/Al) (S-Sm-S) sintonizable mediante compuerta, que proporciona una relación energía-fase no sinusoidal donde los canales de transmisión, y por tanto los coeficientes de Fourier del potencial, pueden sintonizarse continuamente mediante un voltaje de compuerta electrostática ( $V_g$ ).

El potencial total del HPQ es la suma de los potenciales de ambos brazos. Al operar en la frustración de medio cuanto de flujo ( $\Phi_e = \Phi_0/2$ ), los autores aprovechan la interferencia entre los dos brazos. En este punto de flujo, los componentes de seno del potencial desaparecen y los coeficientes de coseno se convierten en la suma o diferencia de los coeficientes de ambos brazos dependiendo de su paridad ( $k$ ). Específicamente, los armónicos impares ( $k=1, 3, \dots$ ) se restan, mientras que los armónicos pares ( $k=2, 4, \dots$ ) se suman.

La metodología experimental consistió en:

Fabricar un chip que contiene tres islas de qubit nominalmente idénticas: un transmon de referencia, un transmon de doble unión SIS-SIS y el HPQ.
Realizar espectroscopía de dos tonos a través de 85 configuraciones distintas de voltaje de compuerta ( $V_g$ de $-7 $V a$ 9.8$ V) y variando el flujo externo.
Ajustar los espectros de múltiples transiciones observados a un Hamiltoniano de circuito completo para reconstruir la relación energía-fase y extraer los coeficientes de Fourier ( $c_k$ ) del potencial de Josephson.

Contribuciones Clave y Resultados

Demostración del Control de la Paridad Armónica: El estudio demuestra con éxito que un único voltaje de compuerta puede sintonizar el peso relativo de los armónicos pares e impares en un elemento superconductor compacto. Al barrer $V_g$ , el dispositivo transiciona a través de tres regímenes distintos:
- Dominado por impares ( $2\pi$ -periódico): A voltajes de compuerta bajos, el potencial está dominado por el término fundamental $\cos(\phi)$ , asemejándose a un transmon estándar o un qubit "cuartón".
- Armónicos mixtos: Un régimen intermedio donde $\cos(\phi)$ y $\cos(2\phi)$ son comparables, resultando en un potencial de doble pozo poco profundo.
- Dominado por pares ( $\pi$ -periódico): A voltajes de compuerta altos, el término fundamental $\cos(\phi)$ se suprime en más de dos órdenes de magnitud respecto al segundo armónico. El potencial queda dominado por $\cos(2\phi)$ y términos pares superiores, creando un potencial de doble pozo profundo con mínimos cerca de $\pm \pi/2$ .
Supresión Cuantitativa de Armónicos Impares: A medio cuanto de flujo y en la configuración de compuerta óptima ( $V_g \approx 7.2$ V), el coeficiente del primer armónico ( $c_1$ ) cruza el cero y cambia de signo, cancelando efectivamente los componentes impares. La relación de los pesos de los armónicos pares frente a los impares ( $|c_{even}/c_{odd}|$ ) se sintonizó en casi dos órdenes de magnitud, alcanzando valores de hasta $\approx 34.5$ . En el régimen dominado por pares, los estados fundamentales y el primer estado excitado exhiben una paridad de pares de Cooper distinta, con el estado fundamental soportado en estados de carga par y el estado excitado en estados de carga impar.
Reconstrucción del Paisaje Armónico: Mediante espectroscopía en 85 puntos de compuerta, los autores reconstruyeron el paisaje armónico completo. Confirmaron que la contribución total de los armónicos pares permanece robusta (escala de 15–20 GHz), mientras que la contribución total de los armónicos impares puede reducirse a casi cero (0.6 GHz) en el punto de cancelación.

Significado
El artículo afirma que este trabajo proporciona un "control manejable" sobre el potencial de Josephson, permitiendo el diseño deliberado de relaciones energía-fase dentro de un único circuito superconductor. Al combinar una estructura de soporte SIS-SIS fija con una unión S-Sm-S sintonizable, el HPQ logra un control fiable de la paridad armónica mediante una sola compuerta sin la inestabilidad asociada con la coordinación de múltiples compuertas en uniones separadas.

Los autores sostienen que la capacidad de la ingeniería de la estructura de paridad del potencial de Josephson in situ abre un nuevo camino para:

Qubits intrínsecamente protegidos: Realización de elementos $\pi$ -periódicos que imponen la conservación de la paridad de los pares de Cooper, un recurso clave para arquitecturas de qubits protegidos.
Ingeniería de Fourier: Adaptación de las barreras de energía y la no linealidad bajo demanda.
Diseño de circuitos: Provisión de un nuevo bloque de construcción para circuitos cuánticos superconductores complejos que explotan procesos de tunelamiento de múltiples pares de Cooper.

Este trabajo establece que el contenido armónico de los elementos de Josephson no es meramente un subproducto fijo de la fabricación, sino que puede ser un recurso programable, ofreciendo una ruta simplificada hacia los regímenes dominados por armónicos pares que anteriormente eran accesibles solo mediante arquitecturas complejas.

Más como este