Sammenkobling av Cooper-par bidrar til å beskytte qubits mot støy

Et forskerteam ved Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure (LPENS) i Frankrike har utviklet en ny måte å beskytte superledende kvantebiter (qubits) mot støy. Takket være et nytt superledende kretselement som effektivt "sprer ut" qubitens kvantetilstand, reduserte teamet qubitens følsomhet for en ekstern magnetisk fluks med en faktor på 10. Denne forbedringen kan føre til utviklingen av neste generasjons superledende qubits som er mindre utsatt for feil.

Kvanteinformasjon lagret i qubits er skjør for støy fra omgivelsene, og dette er fortsatt en stor utfordring for å bygge storskala kvantedatamaskiner. En fremtredende tilnærming til å beskytte qubits mot støy er å delokalisere kvanteinformasjonen deres: fordi støy vanligvis er lokal, er det mindre sannsynlig at kvanteinformasjon som er lagret ikke-lokalt blir ødelagt. For eksempel koder visse typer kvantefeilkorreksjon informasjon i et nettverk av mange romlig adskilte qubits.

Interessant nok kan denne delokaliseringstilnærmingen også brukes på en mer abstrakt form for rom kjent som Hilbert-rommet til en qubit. Et populært eksempel er superledning transmon qubit, hvis tilstander er sterkt spredt over mange ladningsverdier, noe som gir en viss immunitet mot ladningsstøy.

Cooper-pair-paring

Kvantetilstandene til en superledende krets kan beskrives i form av sammenkoblede elektroner kjent som Cooper-par (den primære ladningsbæreren i superledere) eller den superledende fasen (teknisk sett, fasen til den komplekse superledende ordensparameteren). Når individuelle Cooper parrer tunnelen over et såkalt Josephson-kryss, som vanligvis består av to superledere som ligger sammen med en tynn isolator, avhenger strømmen som flyter gjennom krysset ikke-lineært av dens superledende fase. Dette fenomenet, kalt Josephson-effekten, er et nøkkelelement i nesten alle superledende qubits.

De LPENS-forskere designet en ny superledende qubit der kvantetilstandene er delokalisert over et bredt spekter av verdier i den superledende fasen. De oppnådde dette ved å lage en generalisert versjon av et Josephson-kryss der to Cooper-par tunnelerer gjennom krysset samtidig - det vil si en sammenkobling av Cooper-par.

Det nye krysset ble realisert i en superledende sløyfe avbrutt av to Josephson-overganger og to superinduktorer, som er store induktorer med små medfølgende kapasitanser. Dette arrangementet, som teamet kaller et kinetic interference co-tunneling element (KITE), ble inspirert av en 20 år gammelt forslag som antyder å observere Cooper-par-paringseffekten i en superledende sløyfe med fire Josephson-kryss. "Forskjellen er at KITE bytter to av disse knutepunktene for superinduktorer, noe som gir bedre motstandskraft for å oppveie ladestøy og noen andre ønskelige egenskaper," sier Clarke Smith, hovedforfatter av a Fysisk gjennomgang X papir som beskriver forskningen.

Teamet kontrollerte KITE-sløyfen nøye ved å bruke destruktiv interferens for å undertrykke tunneleringen av enkelt Cooper-par over de to Josephson-krysset, slik at samtunnelering av to Cooper-par kunne dominere. Dette forstørrer svingningene i den superledende fasen med mer enn en faktor på to - en betydelig økning i spredningen av qubit-tilstandene. Teamet observerte deretter eksperimentelt en 10 ganger reduksjon i qubitens følsomhet for en ekstern magnetisk fluks, noe som gjorde den mer motstandsdyktig mot fluksstøy.

Mot beskyttede superledende qubits

Forskerne sier at deres generaliserte Josephson-kryss er et viktig kretselement for å lage superledende qubits som i seg selv er motstandsdyktige mot støy. Ved å kombinere et slikt kryss med et annet element kjent som kvantefaseglidning, kan det bli mulig å implementere en såkalt Gottesman-Kitaev-Preskill qubit der qubit-tilstander er delokalisert over både ladnings- og faserom og dermed enda mer robuste mot støy. I følge Smith vil et oppfølgingsprosjekt være å utvikle effektive kvantefaseglidekryss og bygge qubits som er iboende beskyttet mot støy uten å ty til kvantefeilkorreksjon. Slike qubits vil betydelig lette maskinvarekompleksiteten som kreves for å bygge en feiltolerant kvantedatamaskin.

Innlegget Sammenkobling av Cooper-par bidrar til å beskytte qubits mot støy dukket først på Fysikkens verden.

• Myntsmart. Europas beste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. FRI TILGANG.
• CryptoHawk. Altcoin Radar. Gratis prøveperiode.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/pairing-of-cooper-pairs-helps-protect-qubits-against-noise/