🔬 mesoscale physics

Controlled Parity of Cooper Pair Tunneling in a Hybrid Superconducting Qubit

De auteurs demonstreren een gate-regelbare "harmonische pariteitsqubit" gebaseerd op een hybride InAs/Al-nanodraad SQUID die er succesvol in slaagt om oneven Josephson-harmonischen te onderdrukken om een controleerbaar even-pariteits-tunnelregime te bereiken, wat een eenvoudige bouwsteen biedt voor Fourier-engineering in supergeleidende circuits.

Oorspronkelijke auteurs: 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

Gepubliceerd 2026-09-01

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: 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

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

In de wereld van quantumcomputing rust de kracht van de meest krachtige machines op circuits gemaakt van supergeleidende materialen, die elektriciteit geleiden met nul weerstand. Het hart van deze circuits is een minuscuul component genaamd een Josephson-overgang, een brug waar elektronen door een barrière kunnen tunnelen. Wat deze circuits bijzonder maakt, is niet alleen dat ze elektriciteit geleiden, maar dat ze dat doen op een manier die een uniek soort wrijving of nonlineariteit creëert. Deze nonlineariteit stelt wetenschappers in staat om kunstmatige atomen te creëren, bekend als qubits, die tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bestaan. Decennialang was het standaardontwerp voor deze bruggen opmerkelijk eenvoudig, waarbij het zich gedroeg als een enkele, gladde golf waarbij elektronen één voor één in paren oversteken. Dit voorspelbare gedrag is het werkpaard van het vakgebied geweest en maakte de creatie van processoren mogelijk die nu worden gebruikt om complexe problemen op te lossen. Echter, deze eenvoud beperkt ook wat deze circuits kunnen doen. Wetenschappers vermoedden al lang dat als ze deze bruggen zo konden ontwerpen dat elektronen in groepen van twee, drie of meer tegelijkertijd konden oversteken, ze qubits konden creëren die van nature beschermd zijn tegen de ruis en fouten die de huidige machines teisteren. De uitdaging was het vinden van een manier om exact te controleren hoe deze elektronen groepen vormen, waarbij de balans verschuift van enkelvoudige paren naar grotere groepen zonder onmogelijk complexe structuren te bouwen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Kopenhagen heeft nu een manier gedemonstreerd om precies dit te doen, door een nieuw type circuitelement te creëren dat kan worden afgestemd om te veranderen hoe elektronen tunnelen. Ze noemen hun uitvinding de "harmonische pariteit-qubit". In hun experiment bouwden ze een apparaat dat twee verschillende soorten bruggen combineert in een enkele lus. Aan de ene kant van de lus plaatsten ze twee standaard aluminiumoxide-overgangen, die fungeren als een stabiel, onveranderlijk fundament. Aan de andere kant plaatsten ze een overgang gemaakt van een minuscule halfgeleidende nanowire gecoat met aluminium. Deze nanowire-overgang is bijzonder omdat de eigenschappen ervan kunnen worden aangepast door een spanning toe te passen op een nabijgelegen gate, vergelijkbaar met het draaien aan een knop om de verkeersstroom te veranderen. Door de twee zijden zorgvuldig in evenwicht te brengen en een specifiek magnetisch veld toe te passen, slaagden de onderzoekers erin om de elektronen in paren van paren te laten tunnelen, waardoor het gebruikelijke tunnelen van enkelvoudige paren effectief werd geannuleerd.

De onderzoekers testten hun apparaat door te meten hoe het reageerde op microgolfsignalen terwijl ze de gate-spanning over een breed bereik van instellingen aanpasten. Ze ontdekten dat ze, door simpelweg aan de spanningsknop te draaien, het apparaat konden verschuiven van het gedrag van een standaard quantum bit naar het gedrag van een totaal ander soort systeem. Aan het ene uiterste gedroeg het apparaat zich normaal, waarbij elektronen één paar per keer tunnelen. Terwijl ze de spanning aanpasten, werd het gedrag een mix van zowel enkelvoudig als dubbel tunnelen. Uiteindelijk, bij een specifieke instelling, bereikten ze een punt waar het tunnelen van enkelvoudige paren werd onderdrukt met een factor honderd ten opzichte van het tunnelen van twee paren tegelijkertijd. In deze staat veranderde de energielandschap van het apparaat van vorm, waarbij een dubbelwandig potentiaal vormde waarvan de laagste energietoestanden werden gescheiden door een barrière die alleen toestond dat elektronen in groepen van twee overstaken. Dit is een belangrijke prestatie omdat het bewijst dat de "pariteit" van het tunnelen — of er een oneven of even aantal paren oversteekt — kan worden gecontroleerd met een enkele externe knop.

Deze controle is cruciaal voor de toekomst van quantumcomputing omdat het een pad biedt naar het bouwen van qubits die inherent beschermd zijn tegen fouten. In veel huidige ontwerpen kan de toestand van een qubit gemakkelijk worden omgegooid door willekeurige ruis, wat leidt tot rekenfouten. Echter, als een qubit zo is ontworpen dat de laagste energietoestanden alleen elektronen in even aantallen laten bewegen, voorkomen de natuurwetten dat bepaalde soorten ruis het systeem verstoren. Het nieuwe apparaat bereikt dit door een situatie te creëren waarin de oneven tunnelingprocessen elkaar opheffen, waardoor alleen de even processen overblijven. De onderzoekers toonden aan dat ze de verhouding tussen even en oneven tunneling konden afstemmen over een bereik van bijna twee grootheden, waardoor ze het apparaat effectief transformeerden in een programmeerbaar element voor quantumcircuits. Ze simuleerden dit effect niet alleen; ze maten het direct met behulp van spectroscopie, waarbij ze de specifieke energietransities observeerden die de dominantie van het even aantal tunneling bevestigden.

Het apparaat dat ze bouwden is compact en relatief eenvoudig, bestaande uit een supergeleidende lus met enkele overgangen en een enkele gate-elektrode. Deze eenvoud is een groot voordeel ten opzichte van eerdere pogingen om vergelijkbare resultaten te bereiken, die vaak complexe arrays van vele overgangen of moeilijk te controleren hybride structuren vereisten. Door een enkele gate te gebruiken om de balans tussen de twee zijden van de lus af te stemmen, creëerden de onderzoekers een betrouwbare manier om te schakelen tussen verschillende quantumgedragingen. Hun werk demonstreert dat de fundamentele eigenschappen van een supergeleidend circuit on the fly kunnen worden ingenierd, waardoor wetenschappers het energielandschap van een qubit kunnen ontwerpen om aan specifieke behoeften te voldoen. Dit opent de deur naar een nieuwe generatie quantumapparaten waarbij de bescherming tegen fouten in de structuur van het circuit zelf is ingebouwd, in plaats van te vertrouwen op complexe softwarematige correcties. Het vermogen om te controleren of elektronen in enkelvoudige of dubbele groepen tunnelen biedt een nieuw instrument voor het bouwen van robuustere en krachtigere quantumcomputers, waarmee het vakgebied dichter bij het doel komt om machines te creëren die betrouwbaar kunnen werken in de echte wereld.

Technische Samenvatting: Gecontroleerde Pariteit van Cooper-paar Tunneling in een Hybride Supergeleidende Qubit

Probleemstelling
Supergeleidende kwantumcircuits vertrouwen op de niet-lineariteit die wordt geboden door de Josephson energie-fase relatie. Terwijl standaard Josephson-overgangen worden gedomineerd door de fundamentele $\cos(\phi)$ term (die staat voor enkelvoudige Cooper-paar tunneling), kunnen hogere-orde Fourier-harmonischen $\cos(k\phi)$ die overeenkomen met gecorreleerde tunneling van $k$ Cooper-paren de eigenschappen van het apparaat kwalitatief veranderen, inclus overlapping van selectieregels, de pariteit van de golffunctie en de ruisgevoeligheid. Het controleren van de pariteit van het dominante tunnelingproces—specifiek het onderdrukken van oneven harmonischen om een regime te creëren dat gedomineerd wordt door even harmonischen (bijv. $\cos(2\phi)$ )—is een cruciaal doel voor het realiseren van intrinsiek beschermde qubits en geavanceerde Hamiltonian engineering. Echter, het bereiken van deze controle heeft historisch gezien complexe multi-junction of all-hybride architecturen vereist die moeilijk te regelen zijn met één enkele externe parameter. Bestaande hybride supergeleider-halfgeleider-supergeleider (S-Sm-S) overgangen bieden regelbare harmonischen, maar missen een compact, betrouwbaar mechanisme om te schakelen tussen oneven- en even-gedomineerde regimes binnen een enkel circuitelement.

Methodologie
De auteurs introduceren een "Harmonic Parity Qubit" (HPQ), een hybride circuitelement dat programmatisch de pariteit van Josephson-harmonischen kan controleren. Het apparaat is een Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) met twee afzonderlijke armen:

Vaste Arm: Twee Aluminium-oxide (Al/AlOx/Al) tunnelovergangen (SIS-SIS) in serie. Deze arm biedt een stabiele, door fabricage bepaalde harmonische ruggengraat met een vaste inhoud van hogere-orde harmonischen.
Regelbare Arm: Een gate-regelbare Indium Arsenide/Aluminium (InAs/Al) nanowire overgang (S-Sm-S). Deze arm biedt een niet-sinusoïdale energie-fase relatie waarbij de transmissiekanalen, en daarmee de Fourier-coëfficiënten van het potentiaal, continu kunnen worden afgesteld via een elektrostatische gate spanning ( $V_g$ ).

Het totale potentiaal van de HPQ is de som van de potentialen van beide armen. Door te opereren bij een half-flux quantum frustratie ( $\Phi_e = \Phi_0/2$ ), maken de auteurs gebruik van de interferentie tussen de twee armen. Op dit fluxpunt verdwijnen de sinuscomponenten van het potentiaal, en worden de cosinus-coëfficiënten de som of het verschil van de coëfficiënten van de twee armen, afhankelijk van hun pariteit ( $k$ ). Specifiek, oneven harmonischen ( $k=1, 3, \dots$ ) trekken af, terwijl even harmonischen ( $k=2, 4, \dots$ ) optellen.

De experimentele methodologie omvatte:

De fabricage van een chip met drie nominaal identieke qubit-eilanden: een referentie-transmon, een dubbel-junction SIS-SIS transmon, en de HPQ.
Het uitvoeren van twee-toon spectroscopie over 85 verschillende gate spanning instellingen ( $V_g$ van $-7$ V tot $9,8$ V) en het variëren van de externe flux.
Het fitten van de geobserveerde multi-transitie spectra aan een volledige circuit Hamiltonian om de energie-fase relatie te reconstrueren en de Fourier-coëfficiënten ( $c_k$ ) van het Josephson potentiaal te extraheren.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

Demonstratie van Harmonische Pariteitscontrole: De studie demonstreert succesvol dat een enkele gate spanning de relatieve gewicht van even en oneven harmonischen kan regelen in een compact supergeleidend element. Door $V_g$ te scannen, gaat het apparaat door drie verschillende regimes:
- Oneven-gedomineerd ( $2\pi$ -periodiek): Bij lage gate spanningen wordt het potentiaal gedomineerd door de fundamentele $\cos(\phi)$ term, wat lijkt op een standaard transmon of "quarton" qubit.
- Gemengde harmonische: Een intermediair regime waar $\cos(\phi)$ en $\cos(2\phi)$ vergelijkbaar zijn, wat resulteert in een ondiep dubbel-well potentiaal.
- Even-gedomineerd ( $\pi$ -periodiek): Bij hoge gate spanningen wordt de fundamentele $\cos(\phi)$ term met meer dan twee orders van grootte onderdrukt ten opzichte van de tweede harmonische. Het potentiaal wordt gedomineerd door $\cos(2\phi)$ en hogere even termen, wat een diep dubbel-well potentiaal creëert met minima nabij $\pm \pi/2$ .
Kwantitatieve Onderdrukking van Oneven Harmonischen: Bij half-flux quantum en optimale gate instellingen ( $V_g \approx 7,2$ V) kruist de eerste harmonische coëfficiënt ( $c_1$ ) nul en verandert van teken, waardoor de oneven componenten effectief worden geannuleerd. De ratio van even-naar-oneven harmonische gewichten ( $|c_{even}/c_{odd}|$ ) werd afgesteld over bijna twee orders van grootte, bereikend tot $\approx 34,5$ . In het even-gedomineerde regime vertonen de grondtoestand en de eerste aangeslagen toestand een duidelijke Cooper-paar pariteit, waarbij de grondtoestand wordt ondersteund door even ladingstoestanden en de aangeslagen toestand door oneven ladingstoestanden.
Reconstructie van het Harmonische Landschap: Door middel van spectroscopie bij 85 gate punten hebben de auteurs het volledige harmonische landschap gereconstrueerd. Zij bevestigden dat de totale even-harmonische bijdrage robuust blijft (15–20 GHz schaal), terwijl de totale oneven-harmonische bijdrage tot bijna nul kan worden gereduceerd (0,6 GHz) bij het annulatiepunt.

Betekenis
Het artikel stelt dat dit werk een "beheersbare controleknop" biedt voor het Josephson potentiaal, wat het doelbewuste ontwerp van energie-fase relaties binnen een enkel supergeleidend circuit mogelijk maakt. Door een vaste SIS-SIS ruggengraat te combineren met een regelbare S-Sm-S junction, bereikt de HPQ betrouwbare, single-gate controle over de harmonische pariteit zonder de instabiliteit die gepaard gaat met het coördineren van meerdere gates op afzonderlijke junctions.

De auteurs stellen dat het vermogen om de pariteitsstructuur van het Josephson potentiaal in situ te ontwerpen, een nieuwe weg opent voor:

Intrinsiek beschermde qubits: Het realiseren van $\pi$ -periodieke elementen die Cooper-paar pariteit conservering afdwingen, een cruciale hulpbron voor beschermde qubit architecturen.
Fourier engineering: Het op aanvraag afstemmen van energiebarrières en niet-lineariteit.
Circuitontwerp: Het bieden van een nieuwe bouwsteen voor complexe supergeleidende kwantumcircuits die gebruikmaken van multi-Cooper-paar tunneling processen.

Dit werk vestigt dat de harmonische inhoud van Josephson-elementen niet louter een vast bijproduct van fabricage is, maar een programmeerbare hulpbron kan zijn, wat een vereenvoudigde route biedt naar de even-harmonische-gedomineerde regimes die voorheen alleen toegankelijk waren via complexe architecturen.

Meer zoals dit