Сверхпроводящий кубит на основе скрученных купратных гетероструктур Ван-дер-Ваальса
Исследователи из Института сложных систем CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), Института химической физики твердого тела Макса Планка и других институтов по всему миру недавно представили новый сверхпроводящий кубит с емкостным шунтированием, который они назвали «флауэрмоном». Этот кубит, представленный в Physical Review Letters, основан на скрученных купратных гетероструктурах Ван-дер-Ваальса. Новый кубит, представленный исследователями, по существу состоит из одного перехода Ван-дер-Ваальса-Джозефсона BSCCO. Этот переход имеет угол закручивания около 45°, шунтируется большим конденсатором и считывающим сверхпроводящим резонатором.
Справа: конструкция кубита «флауэрмона» с одним d-переходом, шунтированным большим конденсатором. Слева: Структура параметра порядка для углов закручивания, близких к 45°.
Кредит: Броско и др.
Квантовые технологии могут превзойти традиционные компьютеры в некоторых сложных задачах оптимизации и вычислений. В последние годы физики работали над определением новых стратегий создания квантовых систем и многообещающих кубитов (т. е. основных единиц информации в квантовых компьютерах).
Исследователи из Института сложных систем CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), Института химической физики твердого тела Макса Планка и других институтов по всему миру недавно представили новый сверхпроводящий кубит с емкостным шунтированием, который они назвали «флауэрмоном». Этот кубит, представленный в Physical Review Letters, основан на скрученных купратных гетероструктурах Ван-дер-Ваальса.
«Проект появился по счастливой случайности, во время попытки объединить языки, на которых мы обладаем разными знаниями в разговоре», — рассказал Phys.org Ури Вул, соавтор статьи. «Первоначальной мотивацией стала недавняя работа нашего сотрудника Николы Поччиа, который смог создать «скрученную гетероструктуру Ван-дер-Ваальса», позволяющую контролировать угол между отдельными слоями в новом купратном сверхпроводнике BSCCO, не разрушая его уникальные свойства.
«Никола Почча спросил Валентину Броско и меня, можно ли каким-либо образом использовать это в качестве кубита или устройства для квантовой технологии. Первоначально я был настроен довольно скептически, но это привело к нескольким сеансам мозгового штурма между мной и Валентиной, которые в конечном итоге сошлись на идее, представленной в наша газета».
В большинстве экспериментов, направленных на создание квантовых сверхпроводящих схем, использовались традиционные и тщательно изученные сверхпроводящие материалы, такие как алюминий или ниобий. Однако примерно в 2000 году некоторые физики-теоретики исследовали идею внедрения помехозащищенных сверхпроводниковых схем, которые используют уникальную симметрию нетрадиционных сверхпроводников.
Поскольку реализация этой идеи в экспериментальных условиях в то время казалась неосуществимой, эти теоретические работы были прекращены на несколько лет. Недавнее исследование Вула, Поччиа, Броско и их коллег возвращает эту идею к созданию нового сверхпроводящего кубита.
«По мере развития сверхпроводящих схем появилось несколько предложений по созданию схем с защитой от шума путем проектирования элементов схемы таким образом, чтобы обеспечить симметрию», — сказал Вул. «Эти идеи очень интересны, но экспериментальная реализация всегда была сложной задачей, поскольку несовершенства, например, в относительной индуктивности элементов схемы или приложенном потоке в контуре, который они образуют, нарушали симметрию и ухудшали их характеристики.
«В ходе работы Flowermon мы заметили, что простая схема, использующая скрученную купратную гетероструктуру Ван-дер-Ваальса, также обеспечивает такую защиту, которая обусловлена симметрией самого материала, а не расположением схемы».
Уникальная структура и свойства «флауэрмона», кубита, созданного этой исследовательской группой, могут значительно повысить надежность сверхпроводниковой схемы, поскольку устраняют необходимость в настройке или потоке. Опираясь на предыдущие исследования, посвященные защищенным цепям, Вул и его коллеги продемонстрировали потенциал материалов с внутренней симметрией для создания квантовых сверхпроводящих систем.
«Наша работа показывает, что использование материалов с внутренней симметрией, а не с инженерной симметрией, дает надежный кубит, который не требует тонкой настройки», — объяснил Вул. «Flowermon модернизирует старую идею использования нетрадиционных сверхпроводников для защищенных квантовых схем и сочетает ее с новыми технологиями изготовления и новым пониманием когерентности сверхпроводящих схем».
Новый кубит, представленный исследователями, по существу состоит из одного перехода Ван-дер-Ваальса-Джозефсона BSCCO. Этот переход имеет угол закручивания около 45°, шунтируется большим конденсатором и считывающим сверхпроводящим резонатором.
«Несмотря на свою простоту, уникальная скрученная d-волновая природа параметра порядка позволяет цветочному мону кодировать информацию в собственных состояниях, сохраняющих четность», — сказала Валентина Броско, соавтор статьи. «В идеале это приводит к улучшению времени релаксации на порядки по сравнению с хорошо известным трансмоном. Диссипация, вызванная квазичастицами, экспоненциально подавляется».
Простая конструкция Flowermon использует сложные и своеобразные особенности джозефсоновского туннелирования между двумя тонкими чешуйками BSCCO с относительным углом скручивания.
Еще одним преимуществом нового кубита является его особая спектральная структура, которая позволяет манипулировать схемами квантовой электродинамики (cQED) и схемами считывания.
«Я думаю, что Flowermon является прекрасной иллюстрацией новых функциональных возможностей, достижимых за счет интеграции сложных материалов и гетероструктур в квантовые устройства, особенно в области сверхпроводящих схем», — сказал Броско. «Что мне показалось чрезвычайно интересным и увлекательным, так это то, что сила схемы Флауэрмона заложена в волновой функции многих тел, которая приводит к соотношению ток-фаза с доминирующим туннельным термином из двух медных пар».
В отличие от других кубитов с защитой четности, которые реализуются посредством сложной схемотехники, Flowermon опирается на естественные физические механизмы. Сообщаемая надежность этой уникальной конструкции может вдохновить других физиков изучить потенциал скрученных купратных гетероструктур Ван-дер-Ваальса для создания сверхпроводящих схем.
«Идея «флауэрмона» может быть расширена в нескольких направлениях: поиск различных сверхпроводников или переходов, дающих аналогичные эффекты, изучение возможности реализации новых квантовых устройств на основе «флауэрмона», — сказал Броско. «Эти устройства будут сочетать в себе преимущества квантовых материалов и когерентных квантовых схем или использовать Flowermon или аналогичные конструкции для исследования физики сложных сверхпроводящих гетероструктур».
Вул, Броско и их сотрудники теперь планируют провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования. В своей теоретической работе они планируют рассмотреть различные аспекты представленной ими схемы.
Примечательно, что схема Flowermon открывает новый возможный путь для расширения понимания нетрадиционных сверхпроводников с использованием квантовых схем. Это весьма актуально, поскольку свойства этих материалов остаются одной из самых больших загадок в физике конденсированного состояния.
«Это только первый простой конкретный пример использования свойств материала для создания нового квантового устройства, и мы надеемся развить его и найти дополнительные примеры, в конечном итоге создав область исследований, которая сочетает сложную физику материалов с квантовыми устройствами." - добавил Вул.
«Экспериментально над реализацией этого предложения еще предстоит проделать большую работу. В настоящее время мы изготавливаем и измеряем гибридные сверхпроводящие схемы, которые объединяют эти ван-дер-ваальсовые сверхпроводники, и надеемся использовать эти схемы для лучшего понимания материала и, в конечном итоге, проектирование и измерение гибридных сверхпроводящих схем, чтобы превратить их в настоящие полезные устройства».
