Quasiparticle-induced transitions in a fluxonium qubit
Impiegando un'iniezione controllata di quasiparticelle on-chip e tenendo conto dell'asimmetria del gap superconduttore, questo studio isola e caratterizza con successo le transizioni indotte da quasiparticelle in un qubit fluxonium, risolvendo così le precedenti discrepanze nelle densità di quasiparticelle inferite tra la sua piccola giunzione e l'array di giunzioni.
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Il parco giochi quantistico e i fantasmi invisibili
Immaginate un mondo in cui l'elettricità non scorre come l'acqua in un tubo, ma si comporta invece come un'onda di probabilità, permettendo alle particelle di esistere in due posti contemporaneamente. Questo è il regno del calcolo quantistico, dove gli scienziati costruiscono minuscole macchine chiamate "qubit" per risolvere problemi che richiederebbero ai computer normali milioni di anni. Per far funzionare questi qubit, i ricercatori li congelano a temperature più fredde dello spazio profondo e li proteggono da ogni minimo rumore dell'universo. Ma c'è un dispettoso rompiscatole che continua a ripresentarsi: i "quasiparticelle".
Pensate a un filo superconduttore come a una pista da ballo perfettamente organizzata dove gli elettroni si accoppiano e si muovono in perfetto unisono. Queste coppie sono chiamate coppie di Cooper. Una quasiparticella è come un ballerino che è stato cacciato dalla fila, che barcolla da solo rompendo il ritmo di tutta la pista. Quando questi ballerini solitari urtano il qubit, causano la perdita delle sue informazioni quantistiche, un processo chiamato "decoerenza". Gli scienziati hanno passato anni cercando di capire esattamente quanto spesso accadano questi glitch e da dove provengano, perché se non riusciremo a fermarli, i nostri computer quantistici non saranno mai abbastanza affidabili da risolvere problemi del mondo reale.
Il mistero dei fantasmi mancanti nel Fluxonium
In questo studio, un team di ricercatori della Syracuse University, Harvard, Google e altre istituzioni ha deciso di investigare questi rompiscatole all'interno di un tipo specifico di bit quantistico chiamato "fluxonium". Potete pensare al fluxonium come a un'altalena molto sensibile e robusta. A differenza del suo cugino, il qubit "transmon", il fluxonium è costruito per essere molto resistente al rumore elettrico, ma questa robustezza ha un costo: è così bravo a ignorare le cariche elettriche che gli scienziati non riescono a "vedere" facilmente quando una quasiparticella salta attraverso le sue giunzioni. È come cercare di contare quante persone si stanno intrufolando a un concerto ascoltando il suono dei loro passi, ma la sala da concerto è così insonorizzata che non si sente assolutamente nulla.
Di solito, quando gli scienziati vogliono sapere quante quasiparticelle stanno causando problemi, aspettano semplicemente e vedono quanto tempo il qubit rimane eccitato prima di tornare giù. Ma questo metodo è come cercare di indovinare quante persone ci sono in una stanza guardando la porta che si apre e si chiude; è difficile capire se il rumore proviene dalle persone che state osservando o solo dal vento che soffia la porta. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno costruito un speciale "iniettore di quasiparticelle" proprio sullo stesso chip del loro qubit. Immaginate un piccolo irrigatore controllato che spara una raffica di questi ballerini ribelli sulla pista da ballo su comando. Accendendo e spegnendo questo irrigatore, potevano creare una quantità nota di caos e misurare esattamente quanto più velocemente il qubit perdeva la sua energia rispetto a quando l'irrigatore era spento.
Ciò che hanno scoperto: le dimensioni contano
Il team ha scoperto qualcosa di sorprendente sul comportamento di queste quasiparticelle. Per molto tempo, gli scienziati hanno assunto che il "gap" tra i livelli di energia nei materiali superconduttori fosse lo stesso ovunque nel circuito, come un pavimento perfettamente piatto. Inoltre, assumevano che le quasiparticelle fossero molto fredde e avessero bassa energia, non avendo abbastanza forza per fare molto. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che nel loro fluxonium, il pavimento non era affatto piatto. Il materiale superconduttore su un lato della giunzione era leggermente diverso in spessore rispetto all'altro, creando una "asimmetria del gap".
Questa differenza di spessore agiva come un buttafuori in un club. Quando le quasiparticelle cercavano di saltare attraverso la giunzione per causare problemi, il buttafuori (la differenza del gap) ne fermava molte, specialmente quando il qubit si trovava in uno stato specifico chiamato "punto di quanto di flusso a semintero". I ricercatori hanno dimostrato che se si ignora questo buttafuori, la vostra matematica predice che il qubit dovrebbe essere molto più sensibile alle quasiparticelle in quel punto specifico di quanto non sia in realtà. Ma una volta che hanno tenuto conto del buttafuori, la matematica corrispondeva perfettamente all'esperimento.
Risolvere la discrepanza
Questa scoperta aiuta a risolvere un mistero di lunga data. In studi precedenti, gli scienziati avevano misurato i "limiti superiori" (le stime del caso peggiore) di quante quasiparticelle ci fossero nella piccola giunzione rispetto alla grande serie di giunzioni nel circuito. Trovavano costantemente che la piccola giunzione sembrava avere molti più rompiscatole rispetto alla grande serie — a volte dieci volte di più. Questo non aveva senso, perché le quasiparticelle dovrebbero essere distribuite uniformemente.
Gli autori suggeriscono che questa discrepanza non fosse dovuta al fatto che la piccola giunzione fosse effettivamente più "sporca". Inveve, era perché i vecchi modelli matematici mancavano dell'effetto "buttafuori". I modelli assumevano che il gap fosse lo stesso ovunque, il che faceva apparire la grande serie come se stesse causando un enorme disturbo (perché la matematica prevedeva che sarebbe stata molto sensibile). Quando i ricercatori hanno aggiunto la differenza del gap al loro modello, la sensibilità della grande serie è diminuita e la matematica ha mostrato che la densità delle quasiparticelle era in realtà la stessa sia nella piccola giunzione che nella grande serie.
La conclusione
Sebbene il team non sia riuscito a misurare perfettamente il tasso di "eccitazione" (quanto spesso il qubit veniva spinto su verso un'energia più alta) perché il qubit a volte "perdeva" in stati di energia più alta nascosti che confondevano i loro sensori, erano molto sicuri del tasso di "de-eccitazione" (quanto spesso cadeva giù). I loro risultati suggeriscono che lo spessore disomogeneo dei film superconduttori è un elemento chiave nel modo in cui le quasiparticelle causano errori. Ciò significa che, progettando attentamente lo spessore di questi film, gli scienziati potrebbero costruire computer quantistici migliori e più stabili, naturalmente protetti dai fantasmi invisibili. L'articolo non sostiene di aver risolto il problema, ma fornisce una mappa molto più chiara di dove provenga il disturbo, suggerendo che l'effetto "buttafuori" è un pezzo cruciale del puzzle che tutti avevano trascurato.
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