Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

De zoektocht naar het bouwen van machines die kunnen denken en rekenen op manieren die onmogelijk zijn voor de computers van vandaag, rust op een minuscule, fragiele eenheid van informatie genaamd een qubit. In tegenstelling tot de bits in een standaardcomputer, die ofwel nul of één zijn, kan een qubit zich in een delicate staat van beide tegelijk bevinden, maar alleen als het perfect geïsoleerd wordt gehouden van de luidruchtige, chaotische wereld eromheen. Om dit te bereiken, gebruiken wetenschappers vaak supergeleidende circuits, wat elektrische lussen zijn die stroom zonder weerstand vervoeren, maar alleen wanneer ze zijn afgekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt. Het hart van deze circuits is een speciale junctie die fungeert als een poortwachter, waardoor de qubit zich kan gedragen als een kwantumoscillator. Jarenlang hebben onderzoekers deze juncties gebouwd met behulp van aluminium, een materiaal met een goed begrepen fabricageproces. Echter, aluminium heeft beperkingen; het is gevoelig voor microscopische defecten en heeft moeite om te functioneren in sterke magnetische velden, wat wetenschappers belemmert bij het gebruik van deze krachtige kwantuminstrumenten voor bepaalde soorten kosmisch detectivewerk, zoals het zoeken naar onzichtbare deeltjes die de donkere materie zouden kunnen vormen.

Om deze barrières te overwinnen, heeft een team van onderzoekers zich gericht op een andere klasse materialen die bekend staan als van der Waals-soliden. Stel je deze voor als stapels ultradunne vellen, zoals een deck kaarten, waarbij de lagen uit elkaar kunnen worden gepeld en op nieuwe manieren kunnen worden gestapeld met atomaire precisie. Deze materialen bieden een schonere, meer perfecte interne structuur dan aluminium, wat de qubit potentieel kan afschermen van de defecten die ervoor zorgen dat de qubit zijn kwantumtoestand verliest. Hoewel wetenschappers er al in zijn geslaagd om qubits te maken met grafeen, een enkele laag koolstof, zijn ze er nog niet in geslaagd om een werkende qubit te maken van andere veelbelovende kandidaten uit deze familie. In een nieuwe studie hebben onderzoekers succesvol een qubit gebouwd en getest met behulp van niobium diselenide, een materiaal dat niet alleen een supergeleider is, maar ook opmerkelijk bestand tegen magnetische velden. Deze prestatie markeert de eerste keer dat een qubit is gemaakt van dit specifieke materiaal, wat de deur opent naar robuustere kwantumapparaten die kunnen werken in omgevingen waar aluminium zou falen.

De onderzoekers hebben hun apparaat geconstrueerd door twee minuscule vlokken niobium diselenide te nemen, elk slechts ongeveer tien tot vijftien nanometer dik, en deze zorgvuldig over elkaar heen te leggen om een junctie te creëren waar de twee lagen elkaar ontmoeten. Ze plaatsten deze delicate junctie in een holle aluminium doos, die fungeert als een resonator om de toestand van de qubit te helpen controleren en aflezen. Om ervoor te zorgen dat de junctie correct functioneerde, verbonden ze deze met grote aluminium pads en omringden het hele systeem met filters om storende warmte en straling te blokkeren. Het experiment vond plaats in een gespecialiseerd laboratorium waar de temperatuur werd afgekoeld tot ongeveer twintig millikelvin, een fractie van een graad boven het absolute nulpunt, om ervoor te zorgen dat het materiaal supergeleidend bleef. Door microgolfpulsen in de doos te sturen, kon het team het gedrag van de junctie onderzoeken en zien of het zich gedroeg als een kwantumoscillator.

Wat ze vonden was een apparaat dat zich exact gedroeg zoals een zwak anharmonische oscillator zou moeten doen, wat betekent dat het kwantuminformatie kon vasthouden terwijl het weerstand bood aan de ruis die de toestand gewoonlijk vernietigt. Wanneer de onderzoekers de kracht van de signalen die in het apparaat werden gestuurd verhoogden, verschoof de resonantie van de caviteit op een manier die aangaf dat het materiaal zich gedroeg als een "verzachtende" (softening) oscillator, een specifiek type niet-lineair gedrag. Opmerkelijk genoeg bleef het apparaat stabiel, zelfs toen de onderzoekers een aanzienlijke hoeveelheid thermische ruis introduceerden, gelijk aan vijf tot tien extra fotonen aan warmte-energie in de caviteit. Dit niveau van robuustheid is aanzienlijk superieur aan wat eerder is gezien bij andere qubits gemaakt van soortgelijke gelaagde materialen. Bovendien toonden het team aan dat ze door de kracht van het ingangssignaal aan te passen, het gedrag van de oscillator konden veranderen van verzachtend naar "verhardend" (hardening), waardoor ze effectief de teken van de niet-lineariteit konden veranderen. Dit vermogen om de fundamentele eigenschappen van het apparaat af te stemmen, suggereert een hoge mate van controle over het kwantumsysteem.

De meest kritieke test voor elke qubit is hoe lang hij zijn kwantumtoestand kan behouden voordat de coherentie verloren gaat, een eigenschap die wordt gemeten door een waarde genaamd de relaxatietijd. In dit experiment behield de niobium diselenide-qubit zijn toestand voor 6,5 microseconden, een duur die ongeveer honderd keer langer is dan de beste resultaten die eerder met grafeen-gebaseerde qubits zijn behaald. Deze verlengde levensduur is waarschijnlijk te danken aan de hoge kristallijne kwaliteit van het niobium diselenide, die de interne defecten die kwantumtoestanden gewoonlijk verstoren minimaliseert, gecombineerd met het vermogen van het materiaal om hogere stromen te weerstaan. Het team observeerde ook duidelijke, ritmische oscillaties in de toestand van de qubit, bekend als Rabi-oscillaties, wat bevestigde dat het apparaat met precisie gemanipuleerd kon worden. Hoewel ze niet in staat waren de volledige decoherentietijd te meten vanwege de lengte van de benodigde besturingspulsen, vertegenwoordigt de relaxatietijd alleen al een enorme sprong voorwaarts voor deze klasse materialen.

Dit werk dient als een krachtig bewijs dat van der Waals-materialen succesvol kunnen worden geïntegreerd in kwantumtechnologieën, wat een pad biedt naar apparaten die duurzamer en veelzijdiger zijn dan de huidige op aluminium gebaseerde systemen. Het vermogen van niobium diselenide om te functioneren in sterke magnetische velden is bijzonder significant, aangezien het suggereert dat deze qubits uiteindelijk gebruikt kunnen worden in experimenten om donkere materie te detecteren, een taak die vereist dat kwantumsensoren direct in krachtige magneten worden geplaatst waar traditionele aluminium qubits zouden stoppen met werken. Hoewel het huidige apparaat een kleine hoeveelheid niet-lineariteit heeft, wat het gemakkelijker maakt om voor bepaalde typen berekeningen te gebruiken, merken de onderzoekers op dat deze parameter in toekomstige ontwerpen kan worden verfijnd door de grootte van de junctie aan te passen of door nauwkeurigere fabricagetechnieken te gebruiken. Door te bewijzen dat een qubit van dit materiaal gebouwd kan worden en met een hoge coherentie kan presteren, biedt de studie een solide fundament voor de volgende generatie kwantumsensoren en computers, waarmee de kloof tussen exotische materialen en praktische kwantumtoepassingen wordt overbrugd.