Flowermon:En superledende qubit baseret på snoede cuprate van der Waals heterostrukturer

Kvanteteknologi kunne overgå konventionelle computere på nogle avancerede optimerings- og beregningsopgaver. I de senere år har fysikere arbejdet på at identificere nye strategier til at skabe kvantesystemer og lovende qubits (dvs. grundlæggende informationsenheder i kvantecomputere).

Forskere ved Institute for Complex Systems of CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids og andre institutter verden over har for nylig introduceret en ny superledende og kapacitivt shuntet qubit, som de kaldte "flowermon". Denne qubit, introduceret i Physical Review Letters , er baseret på snoede cuprate van der Waals heterostrukturer.

"Projektet kom i stand ved en god chance under et forsøg på at kombinere sprogene fra vores forskellige ekspertise i samtale," fortalte Uri Vool, medforfatter af papiret, til Phys.org. "Den indledende motivation var det nylige arbejde fra vores samarbejdspartner Nicola Poccia, som var i stand til at opnå en "snoet van der Waals heterostruktur", hvor de kan kontrollere vinklen mellem individuelle lag i den nye cuprat superleder BSCCO uden at ødelægge dens unikke egenskaber.

"Nicola Poccia spurgte Valentina Brosco og jeg, om dette på nogen måde kunne bruges som en qubit eller enhed til kvanteteknologi. Til at begynde med var jeg ret skeptisk, men det førte til adskillige brainstormsessioner mellem Valentina og jeg, der til sidst konvergerede om ideen præsenteret i vores papir."

De fleste eksperimenter rettet mod at skabe kvante-superledende kredsløb har brugt konventionelle og grundigt undersøgte superledende materialer, såsom aluminium eller niobium. Omkring år 2000 udforskede nogle teoretiske fysikere imidlertid ideen om at introducere støjbeskyttede superledende kredsløb, der udnytter den unikke symmetri af ukonventionelle superledere.

Da realiseringen af ​​denne idé i eksperimentelle omgivelser på det tidspunkt så ud til at være umulig at gennemføre, blev disse teoretiske værker opgivet i flere år. Den nylige undersøgelse foretaget af Vool, Poccia, Brosco og deres kolleger bringer denne idé tilbage for at skabe en ny superledende qubit.

"Som superledende kredsløb udviklede sig, var der flere forslag til at skabe kredsløb med beskyttelse mod støj ved at designe kredsløbselementerne på en måde, der opnår en symmetri," sagde Vool. "Disse ideer er meget interessante, men eksperimentel implementering var altid udfordrende, da ufuldkommenheder, f.eks. i den relative induktans af kredsløbselementerne eller den påførte flux i sløjfen, de danner, brød symmetrien og forringede deres ydeevne.

"Hos flowermon bemærkede vi, at et simpelt kredsløb med en snoet van der Waals cuprate heterostruktur også giver denne beskyttelse, som kommer fra symmetrien af ​​selve materialet og ikke kredsløbsplaceringen."

Den unikke struktur og egenskaber af flowermon, qubit introduceret af dette forskerhold, kan i høj grad forbedre robustheden af ​​et superledende kredsløb, da det fjerner behovet for tuning eller flux. Med udgangspunkt i tidligere forskningsindsatser med fokus på beskyttede kredsløb demonstrerede Vool og hans kolleger potentialet i materialer med en iboende symmetri til at skabe kvantesuperledende systemer.

"Vores arbejde viser, at brug af materialer med iboende symmetri i modsætning til konstrueret symmetri giver en robust qubit, der ikke kræver finjustering," forklarede Vool. "The flowermon moderniserer den gamle idé om at bruge ukonventionelle superledere til beskyttede kvantekredsløb og kombinerer det med nye fremstillingsteknikker og en ny forståelse af superledende kredsløbssammenhæng."

Den nye qubit introduceret af forskerne består i det væsentlige af et enkelt BSCCO van der Waals Josephson-kryds. Dette kryds har en vridningsvinkel på omkring 45°, shuntet af en stor kondensator og en udlæsningssuperledende resonator.

"På trods af sin enkelhed tillader den unikke snoede d-bølge karakter af ordensparameteren flowermonen at kode information i paritetsbevarende egentilstande," sagde Valentina Brosco, medforfatter af papiret. "Ideelt set giver dette en forbedring af afslapningstiden i forhold til den velkendte transmon. Desuden tyder kontrollen over vridningsvinklen, der blev demonstreret i eksperimentet, på, at i modsætning til hvad der sker i standard d-bølge-kryds, i flowermon kvasipartikel-induceret dissipation er eksponentielt undertrykt."

Blomstermonens enkle design udnytter de komplekse og ejendommelige træk ved Josephsons tunneling mellem to tynde flager af BSCCO med en relativ vridningsvinkel.

En yderligere fordel ved den nye qubit er dens karakteristiske spektrale struktur, som muliggør manipulation af kredsløbskvanteelektrodynamik (cQED) og udlæsningsskemaer.

"Jeg tror, ​​at blomstermonen giver en fremragende illustration af de nye funktionaliteter, der kan opnås gennem integration af komplekse materialer og heterostrukturer i kvanteenheder, især inden for superledende kredsløb," sagde Brosco. "Det, jeg fandt ekstremt interessant og fascinerende, er, at styrken af ​​flowermon-kredsløbet er indbygget i mange-legeme-bølgefunktionen, der fører til en strøm-fase-relation med en dominerende to kobber-par tunneling term."

I modsætning til andre paritetsbeskyttede qubits, der realiseres gennem kompleks kredsløbskonstruktion, er flowermon afhængig af naturligt forekommende fysiske mekanismer. Den rapporterede robusthed af dette unikke design kunne inspirere andre fysikere til at udforske potentialet af snoede van der Waals cuprate heterostrukturer til at skabe superledende kredsløb.

"Idéen bag blomstermonen kan udvides i flere retninger:at søge efter forskellige superledere eller forbindelser, der giver lignende effekter, udforske muligheden for at realisere nye kvanteanordninger baseret på blomstermonen," sagde Brosco. "Disse enheder ville kombinere fordelene ved kvantematerialer og sammenhængende kvantekredsløb eller bruge flowermon eller beslægtet design til at undersøge fysikken i komplekse superledende heterostrukturer."

Vool, Brosco og deres samarbejdspartnere planlægger nu at udføre yderligere teoretiske og eksperimentelle undersøgelser. I deres teoretiske arbejde planlægger de at tage fat på forskellige aspekter af det kredsløb, de introducerede.

Navnlig åbner flowermon-kredsløbet en ny mulig rute til at udvide forståelsen af ​​ukonventionelle superledere ved hjælp af kvantekredsløb. Dette er yderst relevant, da egenskaberne af disse materialer forbliver et af de største mysterier inden for kondenseret stofs fysik.

"Dette er kun det første enkle konkrete eksempel på at udnytte et materiales iboende egenskaber til at lave en ny kvanteanordning, og vi håber at bygge videre på det og finde yderligere eksempler, og til sidst etablere et forskningsfelt, der kombinerer kompleks materialefysik med kvanteanordninger ," tilføjede Vool.

"Eksperimentelt er der stadig en del arbejde med at implementere dette forslag. Vi er i øjeblikket ved at fremstille og måle hybride superledende kredsløb, som integrerer disse van der Waals superledere, og håber at bruge disse kredsløb til bedre at forstå materialet, og i sidste ende designe og måle beskyttede hybride superledende kredsløb for at gøre dem til rigtige nyttige enheder."

Flere oplysninger: Valentina Brosco et al., Superconducting Qubit Based on Twisted Cuprate Van der Waals Heterostructures, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.017003. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.00839

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network