Controlled Parity of Cooper Pair Tunneling in a Hybrid Superconducting Qubit
Gli autori dimostrano un "qubit a parità armonica" regolabile tramite gate basato su un SQUID ibrido InAs/Al che sopprime con successo le armoniche Josephson dispari per raggiungere un regime di tunneling a parità pari controllabile, offrendo un semplice elemento costruttivo per l'ingegneria di Fourier nei circuiti superconduttori.
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Nel mondo dell'informatica quantistica, le macchine più potenti si affidano a circuiti composti da materiali superconduttori, che conducono elettricità con resistenza zero. Il cuore di questi circuiti è un componente minuscolo chiamato giunzione Josephson, un ponte attraverso il quale gli elettroni possono attraversare una barriera per effetto tunnel. Ciò che rende speciali questi circuiti non è solo il fatto che conducano elettricità, ma che lo facciano in un modo che crea un tipo unico di attrito o non linearità. Questa non linearità permette agli scienziati di creare atomi artificiali, noti come qubit, che possono esistere in più stati contemporaneamente. Per decenni, il design standard per questi ponti è stato straordinariamente semplice, comportandosi come un'unica onda fluida dove gli elettroni attraversano la barriera uno alla volta in coppie. Questo comportamento prevedibile è stato il cavallo di battaglia del settore, consentendo la creazione di processori che vengono ora utilizzati per risolvere problemi comploli. Tuttavia, questa semplicità limita anche ciò che questi circuiti possono fare. Gli scienziati sospettano da tempo che, se riuscissero a progettare questi ponti per consentire agli elettroni di attraversare la barriera in gruppi di due, tre o più contemporaneamente, potrebbero creare qubit naturalmente protetti dal rumore e dagli errori che affliggono le macchine attuali. La sfida è stata trovare un modo per controllare esattamente come questi elettroni si raggruppano, spostando l'equilibrio dalle singole coppie a gruppi più grandi senza costruire strutture impossibilmente complesse.
Un team di ricercatori dell'Università di Copenaghen ha ora dimostrato un modo per fare esattamente questo, creando un nuovo tipo di elemento di circuito che può essere sintonizzato per cambiare il modo in cui gli elettroni attraversano la barriera. Chiamano la loro invenzione "qubit armonico a parità". Nel loro esperimento, hanno costruito un dispositivo che combina due diversi tipi di ponti in un unico anello. Su un lato dell'anello, hanno posizionato due giunzioni standard di ossido di alluminio, che fungono da spina dorsale stabile e immutabile. Sull'altro lato, hanno posizionato una giunzione fatta da un minuscolo nanofilo semiconduttore rivestito di alluminio. Questa giunzione a nanofilo è speciale perché le sue proprietà possono essere regolate applicando una tensione a una porta vicina, molto simile a girare una manopola per cambiare il flusso del traffico. Bilanciando attentamente questi due lati e applicando un campo magnetico specifico, i ricercatori sono riusciti a far sì che gli elettroni attraversassero la barriera in coppie di coppie, annullando efficacemente il consueto tunneling di singole coppie.
I ricercatori hanno testato il loro dispositivo misurando come rispondeva ai segnali a microonde mentre regolavano la tensione di porta attraverso un ampio intervallo di impostazioni. Hanno scoperto che, semplicemente girando la manopola della tensione, potevano far passare il dispositivo da un comportamento simile a un normale bit quantistico a un comportamento simile a un sistema completamente diverso. In un estremo, il dispositivo agiva normalmente, con gli elettroni che attraversavano la barriera una coppia alla volta. Man mano che regolavano la tensione, il comportamento diventava un mix di tunneling singolo e doppio. Infine, a una specifica impostazione, hanno raggiunto un punto in cui il tunneling della singola coppia era soppresso di un fattore di cento rispetto al tunneling di due coppie contemporaneamente. In questo stato, il panorama energetico del dispositivo cambiava forma, creando un potenziale a doppia buca dove gli stati di energia più bassa erano separati da una barriera che permetteva agli elettroni di attraversare solo in gruppi di due. Questo è un risultato significativo perché dimostra che la "parità" del tunneling — ovvero se un numero dispari o pari di coppie attraversa la barriera — può essere controllata con un singolo comando esterno.
Questo controllo è cruciale per il futuro dell'informatica quantistica perché offre una strada verso la costruzione di qubit intrinsecamente protetti dagli errori. In molti design attuali, lo stato di un qubit può essere facilmente invertito dal rumore casuale, portando a errori di calcolo. Tuttavia, se un qubit è progettato in modo che i suoi stati di energia più bassa permettano solo il movimento di gruppi di elettroni di numero pari, le leggi della fisica impediscono a certi tipi di rumore di disturbare il sistema. Il nuovo dispositivo ottiene questo creando una situazione in cui i processi di tunneling a numero dispari si annullano a vicenda, lasciando solo quelli a numero pari. I ricercatori hanno dimostrato di poter regolare il rapporto tra tunneling pari e dispari attraverso un intervallo di quasi due ordini di grandezza, trasformando efficacemente il dispositivo in un elemento programmabile per i circuiti quantistici. Non si sono limitati a simulare questo effetto; lo hanno misurato direttamente usando la spettroscopia, osservando le specifiche transizioni di energia che confermavano la dominanza del tunneling a numero pari.
Il dispositivo che hanno costruito è compatto e relativamente semplice, consistendo in un anello superconduttore con alcune giunzioni e un singolo elettrodo di porta. Questa semplicità è un grande vantaggio rispetto ai precedenti tentativi di ottenere risultati simili, che spesso richiedevano array complessi di molte giunzioni o strutture ibride difficili da controllare. Utilizzando una singola porta per regolare l'equilibrio tra i due lati dell'anello, i ricercatori hanno creato un modo affidabile per passare tra diversi comportamenti quantistici. Il loro lavoro dimostra che le proprietà fondamentali di un circuito superconduttore possono essere ingegnerizzate al volo, permettendo agli scienziati di progettare il panorama energetico di un qubit per soddisfare esigenze specifiche. Ciò apre la porta a una nuova generazione di dispositivi quantistici dove la protezione contro gli errori è integrata nel tessuto stesso del circuito, piuttosto che dipendere da complesse correzioni software. La capacità di controllare se gli elettroni attraversano la barriera in singoli o in doppie coppie fornisce un nuovo strumento per costruire computer quantistici più robusti e potenti, avvicinando il campo all'obiettivo di creare macchine in grado di operare in modo affidabile nel mondo reale.
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