最新Nature:帥呆了!超導準電荷量子位

2020-09-18 研之成理

▲第一作者:Ivan V. Pechenezhskiy

通訊作者:Vladimir E. Manucharyan
通訊單位:Department of Physics, University of Maryland, College Park, MD, USA

DOI: 10.1038/s41586-020-2687-9

背景介紹

約瑟夫遜結的非耗散非線性將宏觀超導電路轉換為人造原子,從而實現了當今一些最佳受控量子比特。已知三種基本類型的超導量子位,每種類型都可以完成庫珀對冷凝物中量子函數的獨特行為:單電荷隧穿,單磁隧道效應和相量子位。然而,電荷和助熔劑的雙重性質表明電路原子必須成對出現。本文中缺失的超導量子比特blochnium,它利用了單個約瑟夫森結的相干絕緣響應,該相干響應是由於相函數超出2π的擴展而產生的。儘管到目前為止還沒有關於延長相功能存在的完全共識,但在通過高阻抗引線連接的結的不平衡直流輸運中發現了這種效果的證據。

本文亮點

1. 作者分流了具有極高電感的弱結,這是實驗中的關鍵技術創新,並通過產生的環路測量作為外部磁通量的函數的射頻激發譜。

2. 結的絕緣特性通過基態和第一激發態之間的量子位躍遷消失的磁通量靈敏度來體現,該躍遷的靈敏度很快恢復為高能態躍遷。

3. 該頻譜與到跨子的對偶映射相一致,將對偶通量替換為抵消電荷,並引入了一個新的集體擬電荷變量,而不是超導相。

4. 該發現可能會激發對超高阻抗電路中宏觀量子動力學的探索,並在量子計算和計量學中具有潛在的應用。

圖文解析

▲圖1、Blochnium人工原子


a,約瑟夫森結是存儲(ħ/ 2e)φ的磁通的非線性電感。

b,由小線性電容分流的結變成非線性Bloch電容,存儲準電荷q。

c,源自在周期性約瑟夫森勢(藍色)中的量子運動的布洛赫譜帶(品紅色,灰色)。第一個Bloch帶能量是準電荷q(品紅色)的2e周期函數,它定義了Bloch電容的充電能量。

d,布洛霍爾姆(Blochnium)電路概念(上)和其雙跨界電路概念(下)。

e,四個基本量子位的參數空間,它們全部由同一個三元素電路(插圖)定義,並且具有EL,EC和EJ的極大不同組合。等高線顯示了|φ|>π的計算概率。


▲圖2 設備實施

a,從襯底上釋放出來以減小雜散電容的製造好的器件的掃描電子顯微照片。釋放的約瑟夫森鏈向上捲曲,並使小結增加到基底上方幾十微米。插圖以超導環路的形式顯示了該設備的電路模型,該環路被小面積結(黑色)和大面積鏈結(深藍色)打斷。雜散電容標記為紅色。索引1-4分別標記了小結,環路的另一端以及與讀出電路的兩個連接(圖中未顯示)。外部磁場感應通量φext通過迴路。

b,具有不同捲曲度的釋放的迴路的示例。在所有器件中,約瑟夫森結鏈的兩個部分相隔10μm。


▲圖3 測定的blochnium躍遷

a,過渡頻率(黑色標記)從深淺不一的光譜中提取數據的函數外部通量循環,和適合(虛線)的光譜的哈密頓方程(1)。

b,原始數據的放大|0⟩→|2⟩和雙光子|0⟩→|4⟩轉換(頂部)和量子位過渡|0⟩→|1⟩ (底部)。

▲圖4、光譜數據的解釋

a,使用提取的器件參數計算的方程(1)(虛線)和方程(2)(實線)的哈密頓量的本徵能量相對於外部通量φext。虛線表示EJ=0時等式(1)的頻譜。

b,最低的兩個Bloch頻帶中的計算能量是準電荷q的函數。

c,d,在準電荷表示(c)和相位差表示(d)中φext= 0時的基態和第一激發態的概率分布。


原文連結:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2687-9

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