Криогенная микроволновая установка, используемая для измерений квантовых устройств.
Фото: Qinu GmbH, qinu.de

Физики из исследовательского центра Юлиха и Технологического института Карлсруэ обнаружили, что туннельные переходы Джозефсона — фундаментальные строительные блоки сверхпроводящих квантовых компьютеров — более сложны, чем считалось ранее.

Как и обертоны в музыкальном инструменте, гармоники накладываются на основной лад. Как следствие, поправки могут привести к тому, что квантовые биты станут в два-семь раз более стабильными. Исследователи подкрепляют свои выводы экспериментальными данными из нескольких лабораторий по всему миру, включая Кельнский университет, Ecole Normale Supérieure в Париже и IBM Quantum в Нью-Йорке.

Все началось в 2019 году, когда д-р Деннис Уиллш и Деннис Ригер — два доктора философии. Тогдашние студенты FZJ и KIT и первые авторы новой статьи, опубликованной в журнале Nature Physics, с трудом понимали свои эксперименты с использованием стандартной модели туннельных переходов Джозефсона. Эта модель принесла Брайану Джозефсону Нобелевскую премию по физике в 1973 году.

Стремясь разобраться в этом, команда под руководством профессора Йоана Попа тщательно изучила дополнительные данные Ecole Normale Supérieure в Париже и 27-кубитного устройства в IBM Quantum в Нью-Йорке, а также данные ранее опубликованных экспериментов. Независимо исследователи из Кёльнского университета наблюдали аналогичные отклонения своих данных от стандартной модели.

«К счастью, Джанлуиджи Кателани, который участвовал в обоих проектах и осознал совпадение, объединил исследовательские группы» - вспоминает доктор Деннис Вильш из ФЦ Юлих. «Время было выбрано идеально», — добавляет доктор Крис Дикель из Кёльнского университета, — «поскольку в то время мы изучали совершенно разные последствия одной и той же основной проблемы».

Туннельные переходы Джозефсона состоят из двух сверхпроводников с тонким изолирующим барьером между ними, и на протяжении десятилетий эти элементы схемы описывались с помощью простой синусоидальной модели (см. изображение ниже).

Нижняя часть: Возбуждая сверхпроводящие цепи (желтый/синий) микроволновыми сигналами (красная волнистая стрелка), исследователи могут проанализировать фундаментальное уравнение, описывающее туннельный переход Джозефсона в цепи. Правая часть: исследователи наблюдали значительные отклонения (красная кривая) от синусоидальной стандартной модели (зеленая кривая). Левая часть: схематическое изображение туннельного перехода, состоящего из двух сверхпроводников (желтого и синего) с тонким изолирующим барьером между ними. Большие каналы проводимости (красные петли) могут быть ответственны за наблюдаемые отклонения от стандартной модели.
Фото: Деннис Ригер/Патрик Винкель, KIT

Однако, как показывают исследователи, эта «стандартная модель» не может полностью описать джозефсоновские переходы, которые используются для создания квантовых битов. Вместо этого для описания туннельного тока между двумя сверхпроводниками требуется расширенная модель, включающая высшие гармоники. Этот принцип можно найти и в области музыки. При ударе по струне инструмента на основную частоту накладываются несколько гармонических обертонов.

«Приятно, что измерения, проводимые сообществом, достигли уровня точности, с которым мы можем разрешить эти небольшие поправки к модели, что считалась достаточной более 15 лет», — отмечает Деннис Ригер.

Когда четыре профессора-координатора — Иоан Поп из KIT и Джанлуиджи Кателани, Кристель Михильсен и Дэвид Ди Винченцо из FZJ — осознали влияние результатов, они объединили большое количество экспериментаторов, теоретиков и ученых-материалистов, чтобы объединить свои усилия в представлении убедительный аргумент в пользу модели гармоник Джозефсона.

В публикации Nature Physics учёные исследуют происхождение и последствия джозефсоновских гармоник. «Мы считаем, что джозефсоновские гармоники помогут в разработке более качественных и надежных квантовых битов за счет уменьшения ошибок до порядка величины, что приближает нас на один шаг к мечте о полностью универсальном сверхпроводящем квантовом компьютере», — заявил физик.