Controlled Parity of Cooper Pair Tunneling in a Hybrid Superconducting Qubit
Os autores demonstram um "qubit de paridade harmônica" ajustável por porta baseado em um SQUID híbrido de nanofio de InAs/Al que suprime com sucesso harmônicos Josephson ímpares para alcançar um regime de tunelamento de paridade par controlável, oferecendo um bloco de construção simples para engenharia de Fourier em circuitos supercondutores.
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No mundo da computação quântica, as máquinas mais poderosas dependem de circuitos feitos de materiais supercondutores, que conduzem eletricidade com resistência zero. O coração desses circuitos é um componente minúsculo chamado junção de Josephson, uma ponte por onde os elétrons podem tunelar através de uma barreira. O que torna esses circuitos especiais não é apenas o fato de conduzirem eletricidade, mas sim o fato de o fazerem de uma forma que cria um tipo único de fricção ou não linearidade. Essa não linearidade permite que cientistas criem átomos artificiais, conhecidos como qubits, que podem existir em múltiplos estados ao mesmo tempo. Por décadas, o design padrão para essas pontes tem sido notavelmente simples, comportando-se como uma onda única e suave onde os elétrons cruzam um a um em pares. Esse comportamento previsível tem sido o cavalo de batalha do campo, permitindo a criação de processadores que agora estão sendo usados para resolver problemas complexos. No entanto, essa simplicidade também limita o que esses circuitos podem fazer. Cientistas há muito suspeitam que, se pudessem projetar essas pontes para permitir que os elétrons cruzassem em grupos de dois, três ou mais ao mesmo tempo, poderiam criar qubits naturalmente protegidos contra o ruído e os erros que assolam as máquinas atuais. O desafio tem sido encontrar uma maneira de controlar exatamente como esses elétrons se agrupam, mudando o equilíbrio de pares únicos para grupos maiores sem construir estruturas impossivelmente complexas.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Copenhague demonstrou agora uma maneira de fazer exatamente isso, criando um novo tipo de elemento de circuito que pode ser ajustado para mudar como os elétrons tunelam. Eles chamam sua invenção de "qubit de paridade harmônica". Em seu experimento, eles construíram um dispositivo que combina dois tipos diferentes de pontes em um único loop. De um lado do loop, colocaram duas junções padrão de óxido de alumínio, que atuam como uma espinha dorsal estável e imutável. Do outro lado, colocaram uma junção feita de um minúsculo nanofio semicondutor revestido de alumínio. Esta junção de nanofio é especial porque suas propriedades podem ser ajustadas aplicando uma voltagem a um portão próximo, de forma muito semelhante a girar um botão para mudar o fluxo de tráfego. Ao equilibrar cuidadosamente esses dois lados e aplicar um campo magnético específico, os pesquisadores foram capazes de fazer com que os elétrons tunelassem em pares de pares, cancelando efetivamente o tunelamento usual de um único par.
Os pesquisadores testaram seu dispositivo medindo como ele respondia a sinais de micro-ondas enquanto ajustavam a voltagem do portão através de uma ampla gama de configurações. Eles descobriram que, simplesmente girando o botão de voltagem, podiam mudar o dispositivo de um comportamento de um bit quântico padrão para o comportamento de um tipo completamente diferente de sistema. Em um extremo, o dispositivo agia normalmente, com elétrons tunelando um par de cada vez. À medida que ajustavam a voltagem, o comportamento tornava-se uma mistura de tunelamento único e duplo. Finalmente, em uma configuração específica, atingiram um ponto onde o tunelamento de par único foi suprimido por um fator de cem em comparação ao tunelamento de dois pares de uma vez. Neste estado, o cenário de energia do dispositivo mudou de forma, formando um potencial de poço duplo onde os estados de menor energia eram separados por uma barreira que só permitia que os elétrons cruzassem em grupos de dois. Isso é uma conquista significativa porque prova que a "paridade" do tunelamento — se um número ímpar ou par de pares cruza — pode ser controlada com um único controle externo.
Este controle é crucial para o futuro da computação quântica porque oferece um caminho para a construção de qubits inerentemente protegidos contra erros. Em muitos designs atuais, o estado de um qubit pode ser facilmente invertido por ruído aleatório, levando a erros de cálculo. No entanto, se um qubit for projetado de modo que seus estados de menor energia permitam apenas que os elétrons se movam em grupos de números pares, as leis da física impedem certos tipos de ruído de perturbar o sistema. O novo dispositivo alcança isso criando uma situação onde os processos de tunelamento de números ímpares se cancelam mutuamente, deixando apenas os de números pares. Os pesquisadores mostraram que podiam ajustar a proporção de tunelamento par em relação ao ímpar através de uma gama de quase duas ordens de magnitude, transformando efetivamente o dispositivo em um elemento programável para circuitos quânticos. Eles não apenas simularam esse efeito; eles o mediram diretamente usando espectroscopia, observando as transições de energia específicas que confirmaram a dominância do tunelamento de números pares.
O dispositivo que construíram é compacto e relativamente simples, consistindo em um loop supercondutor com algumas junções e um único eletrodo de portão. Essa simplicidade é uma grande vantagem sobre tentativas anteriores de alcançar resultados semelhantes, que frequentemente exigiam arrays complexos de muitas junções ou estruturas híbridas de difícil controle. Ao usar um único portão para ajustar o equilíbrio entre os dois lados do loop, os pesquisadores criaram uma maneira confiável de alternar entre diferentes comportamentos quânticos. O trabalho deles demonstra que as propriedades fundamentais de um circuito supercondutor podem ser projetadas sobre a hora, permitindo que os cientistas projetem o cenário de energia de um qubit para atender a necessidades específicas. Isso abre as portas para uma nova geração de dispositivos quânticos onde a proteção contra erros é construída na própria estrutura do circuito, em vez de depender de correções complexas de software. A capacidade de controlar se os elétrons tunelam em singles ou duplas fornece uma nova ferramenta para construir computadores quânticos mais robustos e poderosos, aproximando o campo do objetivo de criar máquinas que possam operar de forma confiável no mundo real.
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