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El emparejamiento de pares de Cooper ayuda a proteger los qubits contra el ruido

Marca de tiempo: 2 de junio de 2022 5:00 a.m.

Un equipo de investigación del Laboratoire de Physique de l'Ecole Normale Supérieure (LPENS) en Francia ha desarrollado una nueva forma de proteger los bits cuánticos superconductores (qubits) del ruido. Gracias a un novedoso elemento de circuito superconductor que efectivamente "esparce" el estado cuántico del qubit, el equipo redujo la sensibilidad del qubit a un flujo magnético externo en un factor de 10. Esta mejora podría conducir al desarrollo de qubits superconductores de próxima generación que son menos propenso a errores.

La información cuántica almacenada en qubits es frágil al ruido del entorno circundante, y esto sigue siendo un desafío importante para construir computadoras cuánticas a gran escala. Un enfoque destacado para proteger los qubits del ruido es deslocalizar su información cuántica: debido a que el ruido suele ser local, es menos probable que se estropee la información cuántica que se almacena de forma no local. Por ejemplo, ciertos tipos de corrección de errores cuánticos codifican información en una red de muchos qubits espacialmente separados.

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Curiosamente, este enfoque de deslocalización también se puede aplicar a una forma de espacio más abstracta conocida como el espacio de Hilbert de un qubit. Un ejemplo popular es el superconductor transmón qubit, cuyos estados se distribuyen en gran medida en muchos valores de carga, proporcionando cierta inmunidad contra el ruido de carga.

Emparejamiento de parejas de Cooper

Los estados cuánticos de un circuito superconductor se pueden describir en términos de pares de electrones conocidos como pares de Cooper (el principal portador de carga en los superconductores) o la fase superconductora (técnicamente, la fase del parámetro de orden superconductor complejo). Cuando los pares individuales de Cooper hacen un túnel a través de la llamada unión de Josephson, que comúnmente consta de dos superconductores que intercalan un aislante delgado, la corriente que fluye a través de la unión depende de forma no lineal de su fase superconductora. Este fenómeno, denominado efecto Josephson, es un elemento clave en casi todos los qubits superconductores.

La Investigadores de la LPENS diseñó un nuevo qubit superconductor en el que los estados cuánticos se deslocalizan en una amplia gama de valores de la fase superconductora. Lo lograron creando una versión generalizada de un cruce de Josephson en el que dos pares de Cooper hacen túneles a través del cruce simultáneamente, es decir, un emparejamiento de pares de Cooper.

Un diagrama de circuito para el nuevo qubit superconductor
Bucle interrumpido: un diagrama de circuito eléctrico extendido para el elemento de co-tunelización de interferencia cinética. (Cortesía: WC Smith et al., “Magnificación de las fluctuaciones de fase cuántica con emparejamiento Cooper-Pair”, Phys Rev X 12 021002, https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.021002)

La nueva unión se realizó en un bucle superconductor interrumpido por dos uniones Josephson y dos superinductores, que son grandes inductores con pequeñas capacitancias que los acompañan. Este arreglo, que el equipo denomina elemento de co-túnel de interferencia cinética (KITE), se inspiró en un propuesta de 20 años eso sugiere observar el efecto de emparejamiento de pares de Cooper en un bucle superconductor de cuatro uniones Josephson. "La diferencia es que el KITE intercambia dos de esas uniones por superinductores, lo que brinda una mejor resistencia para compensar el ruido de la carga y algunas otras propiedades deseables", dice clarke smith, autor principal de un Revisión física X documento que describe la investigación.

El equipo controló cuidadosamente el bucle KITE mediante el uso de interferencia destructiva para suprimir la tunelización de pares de Cooper individuales sobre los dos cruces de Josephson, lo que permitió que dominara la tunelización conjunta de dos pares de Cooper. Esto magnifica las fluctuaciones de la fase superconductora en más de un factor de dos, un aumento considerable en la propagación de los estados qubit. Luego, el equipo observó experimentalmente una reducción de 10 veces en la sensibilidad del qubit a un flujo magnético externo, haciéndolo más resistente al ruido de flujo.

Hacia qubits superconductores protegidos

Los investigadores dicen que su unión Josephson generalizada es un elemento de circuito vital para hacer qubits superconductores que son intrínsecamente resistentes al ruido. Combinando tal unión con otro elemento conocido como deslizamiento de fase cuántica, podría ser posible implementar un llamado Qubit de Gottesman-Kitaev-Preskill en el que los estados de los qubits se deslocalizan tanto en los espacios de carga como de fase y, por lo tanto, son aún más robustos contra el ruido. Según Smith, un proyecto de seguimiento sería desarrollar uniones de deslizamiento de fase cuánticas efectivas y construir qubits que estén intrínsecamente protegidos del ruido sin recurrir a la corrección de errores cuánticos. Dichos qubits aliviarían significativamente la complejidad del hardware requerida para construir una computadora cuántica tolerante a fallas.

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