Higher Josephson harmonics in a tunable double-junction transmon qubit
本文展示了一种具有磁通控制谐波的约瑟夫森势能的可调双结跨单（transmon）量子比特，其中光谱分析显示出高达约 10% 的二阶谐波振幅，并确定了一个通过平衡内部模式与量子比特模式耦合来消除色散位移的磁通甜点。
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想象一下量子计算的世界就像一场高风险的抢椅子游戏，但参与者不是椅子，而是被称为“量子比特”（qubits）的微小能量包。为了让这些量子比特发挥作用，科学家们利用超导电路来构建它们——这是一种在冷却至接近绝对零度时几乎没有电阻的导线环路。让这些电路表现得像量子位而非普通导线的“秘密配方”是一个被称为约瑟夫森结（Josephson junction）的特殊组件。你可以把约瑟夫森结想象成连接两个超导房间之间的一扇神奇且极薄的门。它允许电子对（称为库珀对）溜过去，但前提是它们必须以一种非常特定的、有节奏的方式进行。这种节奏创造了一个“势能景观”，你可以将其想象为一个电子喜欢栖息其中的波浪形山丘或山谷。
几十年来，科学家们一直将这些山丘视为简单的、平滑的波，就像基础物理教科书中常见的完美正弦波。这种简单的形状赋予了量子比特特殊的“非谐性”（anharmonicity）——这是一个高级词汇，指的是能级之间的能量阶梯是不均匀的，这对于区分计算机的“0”和“1”状态至关重要。然而，最近的实验暗示，这些山丘可能比我们想象的要复杂。就像一个音符可以拥有改变其色彩或音色的隐藏泛音（高次谐波）一样，这些量子结的能量波可能也拥有隐藏的“高次谐波”。如果我们能够学会控制这些隐藏的谐波，我们就能制造出对噪声和误差更具韧性的量子比特，这可能引领一个量子计算机足够稳定、能够解决我们无法想象的问题的未来。
在这项新研究中，来自哥本哈根大学及其合作者的研究团队构建了一个巧妙的新型装置来测试这个想法。他们创造了一个“可调双结跨子”（tunable double-junction transmon），本质上是一个由两个串联在一起的约瑟夫森结组成的电路：一个是单结，另一个是内部有两个结的环路（称为 SQUID）。想象一下这个装置就像一个乐器，你可以通过施加磁场来拉紧或放松琴弦，从而改变它发出的声音形状。通过在 SQUID 环路中穿过磁通量，团队可以动态地重塑量子比特的能量景观，实际上是在调节该电路的“音乐音符”。
他们的发现非常令人兴奋。通过测量量子比特的能量跃迁，他们发现自己可以产生一个“二阶谐波”——即能量波中一个更高频率的涟价——而且这个谐波的强度惊人地高。在他们最对称的设置中，这个二阶谐波达到了主波强度的约 10%。从这个角度来看，之前的单结实验仅观察到了微弱到几乎不可见的涟漪。这就像是从听到第二个音符的微弱低语，变成了听到一个清晰、鲜明的和谐音。研究人员通过建立一个详细的计算机模型证实了这一点，该模型包含了一个“内模”（internal mode）——即位于两个结之间的小型超导岛屿的一种隐藏振动。这个内模就像机器中的一个隐藏齿轮，会轻微地重塑主运动，他们的模型显示，正是这个隐藏齿轮导致了他们观察到的额外谐波。
该团队还在实验中偶然发现了一个非常特殊的“甜点”（sweet spot）。随着他们调整磁通量，他们发现了一个特定的点，在这个点上，量子比特与他们的读取设备（谐振器）之间的常规相互作用完全抵消了。通常情况下，量子比特会将谐振器的频率向上或向下推，但在这个神奇的点上，来自主量子比特模式的“推力”被来自内模的“拉力”完美抵消，导致净位移为零。这有点像两个人朝相反方向推秋千，而力量相等；秋千保持完全静止。这一发现意义重大，因为它表明了一种制造对特定类型噪声不敏感的量子比特的方法，这可能带来更稳健的量子计算机。
这篇论文并不声称已经解决了量子计算的所有问题，也不说这些新的量子比特已经准备好进入你的客厅。相反，它提供了一个扎实、经过衡量的演示，证明我们可以通过完全超导的系统来设计这些复杂的能量景观。研究人员展示了通过操纵两个结之间的不对称性，他们可以进入一种以前难以触及的丰富的量子行为领域。他们排除了这些效应仅仅是随机噪声或简单人工产物的可能性，证明了这些效应确实是电路设计以及主量子比特与其“孪生”内模之间相互作用的直接结果。这项工作为设计“受保护量子比特”（即天然屏蔽误差的量子比特）开启了一扇新大门，并表明量子硬件的未来可能涉及通过调节这些隐藏的谐波来创造定制化的量子设备。
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