Grundlæggende ligning for superledende kvantebit revideret

Fysikere fra Forschungszentrum Jülich og Karlsruhe Institute of Technology har afsløret, at Josephson tunnel junctions – de grundlæggende byggesten i superledende kvantecomputere – er mere komplekse end tidligere antaget.

Ligesom overtoner i et musikinstrument er harmoniske overlejret på grundtilstanden. Som en konsekvens kan korrektioner føre til kvantebits, der er to til syv gange mere stabile. Forskerne understøtter deres resultater med eksperimentel dokumentation fra flere laboratorier over hele kloden, herunder University of Cologne, Ecole Normale Supérieure i Paris og IBM Quantum i New York.

Det hele startede i 2019, da Dr. Dennis Willsch og Dennis Rieger - to ph.d. studerende fra FZJ og KIT på det tidspunkt og fælles førsteforfattere af et nyt papir offentliggjort i Nature Physics - havde svært ved at forstå deres eksperimenter ved hjælp af standardmodellen for Josephson-tunnelkryds. Denne model havde vundet Brian Josephson Nobelprisen i fysik i 1973.

Holdet ledet af professor Ioan Pop var spændte på at komme til bunds i dette og granskede yderligere data fra Ecole Normale Supérieure i Paris og en 27-qubit-enhed hos IBM Quantum i New York, samt data fra tidligere offentliggjorte eksperimenter. Uafhængigt observerede forskere fra universitetet i Köln lignende afvigelser af deres data fra standardmodellen.

"Heldigvis bragte Gianluigi Catelani, som var involveret i begge projekter og indså overlapningen, forskerholdene sammen," husker Dr. Dennis Willsch fra FZ Jülich. "Timingen var perfekt," tilføjer Dr. Chris Dickel fra University of Cologne, "da vi på det tidspunkt udforskede helt forskellige konsekvenser af det samme underliggende problem."

Josephson tunnel junctions består af to superledere med en tynd isolerende barriere imellem, og i årtier er disse kredsløbselementer blevet beskrevet med en simpel sinusformet model (se billedet nedenfor).

Men som forskerne demonstrerer, formår denne "standardmodel" ikke fuldt ud at beskrive de Josephson-kryds, der bruges til at bygge kvantebits. I stedet kræves en udvidet model med højere harmoniske for at beskrive tunnelstrømmen mellem de to superledere. Princippet kan også findes på musikområdet. Når strengen på et instrument slås på, overlejres grundfrekvensen af ​​flere harmoniske overtoner.

"Det er spændende, at målingerne i samfundet har nået det nøjagtighedsniveau, hvormed vi kan løse disse små korrektioner til en model, som har været anset for tilstrækkelig i mere end 15 år," bemærker Dennis Rieger.

Da de fire koordinerende professorer – Ioan Pop fra KIT og Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen og David DiVincenzo fra FZJ – indså virkningen af ​​resultaterne, samlede de det store samarbejde mellem eksperimentalister, teoretikere og materialeforskere for at slutte sig til deres bestræbelser på at præsentere en overbevisende sag for Josephson harmonics-modellen.

I Naturfysik publikation, udforsker forskerne oprindelsen og konsekvenserne af Josephson harmoniske. "Som en umiddelbar konsekvens tror vi, at Josephsons harmoniske vil hjælpe med at konstruere bedre og mere pålidelige kvantebits ved at reducere fejl op til en størrelsesorden, hvilket bringer os et skridt nærmere drømmen om en fuldt ud universel superledende kvantecomputer." to førsteforfattere konkluderer.

Flere oplysninger: Dennis Willsch et al., Observation of Josephson harmonics in tunnel junctions, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02400-8

Leveret af Karlsruhe Institute of Technology