Higher Josephson harmonics in a tunable double-junction transmon qubit
Dit artikel demonstreert een instelbare dubbel-junction transmon-qubit met een Josephson-potentiaal met magnetische-flux-gecontroleerde harmonieken, waarbij spectroscopie een tweede harmonische amplitude van tot ~10% onthult en een flux-sweet-spot identificeert die dispersieve verschuivingen elimineert door koppelingen aan interne en qubit-modi in evenwicht te brengen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Stel je de wereld van quantumcomputing voor als een spannend spelletje stoelendans, maar in plaats van stoelen zijn de spelers piepkleine pakketjes energie die "qubits" worden genoemd. Om deze qubits te laten werken, bouwen wetenschappers ze uit supergeleidende circuits — lussen van draad die elektriciteit geleiden met nul weerstand wanneer ze worden afgekoeld tot nabij het absolute nulpunt. Het geheime ingrediënt dat ervoor zorgt dat deze circuits zich gedragen als quantum bits in plaats van gewone draden, is een speciaal onderdeel genaamd een Josephson-overgang. Denk aan een Josephson-overgang als een magische, ultra-dunne deur tussen twee supergeleidende kamers. Het laat paren elektronen (genaamd Cooper-paren) binnensluipen, maar alleen als ze dat op een zeer specifieke, ritmische manier doen. Dit ritme creëert een "potentieel energielandschap", wat je kunt visualiseren als een golvende heuvel of een vallei waar de elektronen graag willen zitten.
Decennialang hebben wetenschappers deze heuvels behandeld als eenvoudige, gladde golven, zoals een perfecte sinusgolf die je in een basis natuurkundeboek zou zien. Deze eenvoudige vorm geeft de qubits hun speciale "anharmoniciteit" — een chic woord voor het feit dat de energiestappen tussen niveaus ongelijk zijn, wat cruciaal is om de "0" en "1" toestanden van de computer uit elkaar te houden. Echter, recente experimenten hebben gesuggereerd dat deze heuvels complexer kunnen zijn dan we dachten. Net zoals een muzikale noot boventonen (hogere harmonieken) kan hebben die de kleur of toon veranderen, kunnen deze quantumovergangen verborgen "hogere harmonieken" hebben in hun energiegolven. Als we kunnen leren om deze verborgen harmonieken te beheersen, zouden we qubits kunnen bouwen die veel beter bestand zijn tegen ruis en fouten, wat potentieel leidt tot een toekomst waarin quantumcomputers stabiel genoeg zijn om problemen op te lossen die we ons vandaag de dag nog niet kunnen voorstellen.
In dit nieuwe onderzoek heeft een team onderzoekers van de Universiteit van Kopenhagen en samenwerkingspartners een slim nieuw apparaat gebouwd om dit idee te testen. Ze creëerden een "regelbare dubbele-overgangstransmon", wat in essentie een circuit is dat bestaat uit twee Josephson-overgangen die achter elkaar zijn gekoppeld: de ene is een enkele overgang, en de andere is een lus met twee overgangen erin (een SQUID). Stel je deze opstelling voor als een muziekinstrument waarbij je een snaar strakker of losser kunt spannen (door een magnetisch veld toe te passen) om de vorm van het geluid dat het maakt te veranderen. Door een magnetische flux door de SQUID-lus te leiden, kon het team het energielandschap van hun qubit dynamisch herformuleren, waardoor ze de "muzikale noten" van het circuit effectief konden afstemmen.
Wat ze vonden, is zeer opwindend. Door de energietransities van hun qubit te meten, ontdekten ze dat ze een "tweede harmonische" konden genereren — een hogere frequentie rimpeling in de energiegolf — die verrassend sterk was. In hun meest symmetrische opstelling bereikte deze tweede harmonische ongeveer 10% van de sterkte van de hoofd-golf. Om dat in perspectief te plaatsen: eerdere experimenten met enkele overgangen hadden slechts minuscule, bijna onzichtbare rimpelingen gezien. Dit is alsovergelijkbaar met het gaan van het horen van een zwak gefluister van een tweede noot naar het horen van een duidelijke, afgebakende harmonie. De onderzoekers bevestigden dit door een gedetailleerd computermodel te bouwen dat een "interne modus" bevat — een verborgen trilling van het kleine eilandje van supergeleidend materiaal dat tussen de twee overgangen zit. Deze interne modus werkt als een verborgen tandwiel in een machine dat de hoofdbeweging lichtjes hervormt, en hun model toonde aan dat dit verborgen tandwiel verantwoordelijk was voor de extra harmonieken die zij observeerden.
Het team stuiterde ook op een zeer speciaal "sweet spot" in hun experiment. Terwijl ze de magnetische flux aanpasten, vonden ze een specifiek punt waar de gebruikelijke interactie tussen de qubit en hun uitleesapparaat (een resonator) volledig werd geannuleerd. Normaal gesproken zou de qubit de frequentie van de resonator omhoog of omlaag duwen, maar op dit magische punt zou de duw van de hoofd-qubitmodus perfect in evenwicht zijn met een trek aan de interne modus, wat resulteert in een netto verschuiving van nul. Dit is een beetje alsof twee mensen een schommel in tegengestelde richtingen duwen met gelijke kracht; de schommel blijft perfect stilhangen. Deze ontdekking is significant omdat het suggereert dat er een manier is om qubits te maken die minder gevoelig zijn voor bepaalde soorten ruis, wat potentieel kan leiden tot robuustere quantumcomputers.
Het artikel beweert niet dat het alle problemen van quantumcomputing heeft opgelost, noch zegt het dat deze nieuwe qubits klaar zijn voor je woonkamer. In plaats daarvan biedt het een solide, gemeten demonstratie dat we deze complexe energielandschappen kunnen ontwerpen in een volledig supergeleidend systeem. De onderzoekers toonden aan dat door te spelen met de asymmetrie tussen hun twee overgangen, ze toegang kregen tot een rijke variëteit aan quantumgedragingen die voorheen moeilijk bereikbaar waren. Ze sloten de mogelijkheid uit dat deze effecten simpelweg willekeurige ruis of eenvoudige artefacten waren, en bewezen in plaats daarvan dat het een direct gevolg was van het ontwerp van het circuit en het samenspel tussen de hoofd-qubit en zijn interne "tweeling". Dit werk opent een nieuwe deur voor het ontwerpen van "beschermde qubits" — quantum bits die van nature beschermd zijn tegen fouten — en suggereert dat de toekomst van quantumhardware het tunen van deze verborgen harmonieken kan inhouden om op maat gemaakte quantumapparaten te creëren.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.