Controlled Parity of Cooper Pair Tunneling in a Hybrid Superconducting Qubit
作者展示了一种基于混合 InAs/Al 纳米线 SQUID 的门控可调“谐波奇偶性比特”，该比特成功抑制了奇数约瑟夫森谐波，以实现可控的偶奇性隧穿机制，为超导电路中的傅里叶工程提供了一个简单的构建模块。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
在量子计算领域，最强大的机器依赖于由超导材料制成的电路，这些材料可以无电阻地导电。这些电路的核心是一个被称为约瑟夫森结（Josephson junction）的微小组件，它是一个电子可以隧穿通过势垒的桥梁。这些电路之所以特殊，不仅在于它们能导电，还在于它们以一种创造出独特摩擦力或非线性特征的方式导电。这种非线性允许科学家们创造出被称为“人工原子”的量子比特（qubits），这些量子比特可以同时存在于多种状态中。几十年来，这些桥梁的标准设计一直非常简单，表现为一种单一、平滑的波，电子成对地一个接一个地穿过。这种可预测的行为一直是该领域的功臣，使得能够制造出目前正被用于解决复杂问题的处理器。然而，这种简单性也限制了这些电路的能力。科学家们长期以来一直怀疑，如果他们能够设计这些桥梁，使其允许电子同时以两对、三对或更多对的形式穿过，他们就能创造出能够天然抵御当前机器所面临的噪声和误差干扰的量子比特。挑战在于寻找一种方法，精确控制这些电子如何分组，在单对隧道效应与更大规模分组之间实现平衡，而无需构建极其复杂的结构。
哥本哈根大学的一个研究小组现在展示了一种实现这一目标的方法，创建了一种可以调节以改变电子隧穿方式的新型电路元件。他们将这一发明称为“谐波奇偶性量子比特”（harmonic parity qubit）。在实验中，他们构建了一个将两种不同类型的桥梁结合在一个环路中的装置。在环路的一侧，他们放置了两个标准的氧化铝结，它们充当稳定、不变的骨干；在另一侧，他们放置了一个由涂有铝的微型半导体纳米线组成的结。这个纳米线结非常特殊，因为可以通过向附近的栅极施加电压来调节其特性，就像转动旋钮来改变交通流量一样。通过仔细平衡这两侧并施加特定的磁场，研究人员成功实现了电子以“对对相传”的方式进行隧穿，有效地抵消了通常的单对隧穿。
研究人员通过测量设备在调整栅极电压跨越广泛范围时对微波信号的响应，对该装置进行了测试。他们发现，只需转动这个电压旋钮，他们就可以使设备从表现为标准量子比特转变为表现为一种完全不同的系统。在极端情况下，设备表现正常，电子一次隧穿一对。随着他们调整电压，行为变成了单对和双对隧穿的混合体。最后，在特定的设置下，他们达到了一个点，即单对隧穿被抑制到了双对同时隧穿强度的百分之一。在这种状态下，设备的能量景观发生了形状变化，形成了一个双阱势能，其最低能量状态被一个仅允许电子以两对为一组进行穿梭的势垒所分隔。这是一项重大的成就，因为它证明了隧穿的“奇偶性”（即奇数还是偶数对电子穿过）可以通过单个外部旋钮进行控制。
这种控制对于量子计算的未来至关重要，因为它为构建天生具备抗误差能力的量子比特提供了一条路径。在许多现有设计中，量子比特的状态很容易被随机噪声翻转，从而导致计算错误。然而，如果一个量子比特的设计使其最低能量状态仅允许电子以偶数个为一组移动，那么物理定律就会阻止某些类型的噪声干扰系统。这种新装置通过创造一种使奇数次隧穿过程相互抵消、仅留下偶数次隧穿的过程来实现这一点。研究人员展示了他们可以调节偶数与奇数隧穿的比率，跨越近两个数量级的范围，从而有效地将设备转变为量子电路的可编程元件。他们不仅仅是模拟了这种效应，还通过光谱学直接测量了它，观察到了证实偶数次隧穿占主导地位的特定能量跃迁。
他们构建的装置紧凑且相对简单，由一个包含几个结和一个单栅极电极的超导环组成。这种简单性相比以往试图实现类似结果的方法具有重大优势，因为那些方法通常需要由许多结组成的复杂阵列或难以控制的混合结构。通过使用单个栅极来调节环路两侧之间的平衡，研究人员创造了一种可靠的方法，可以在不同的量子行为之间进行切换。他们的工作表明，超导电路的基本属性可以随时进行工程化设计，允许科学家根据特定需求设计量子比特的能量景观。这为新一代量子设备开启了大门，在这些设备中，抗误差能力被内置于电路本身的结构之中，而不是依赖于复杂的软件修正。控制电子是以单对还是双对进行隧穿的能力，为构建更稳健、更强大的量子计算机提供了新的工具，使该领域离实现能够在现实世界中可靠运行的机器的目标又近了一步。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。