Los circuitos de microondas cuánticos superconductores pueden funcionar como qubits, los componentes básicos de una futura computadora cuántica. Un componente crítico de estos circuitos, el cruce de Josephson, se fabrica típicamente con óxido de aluminio. Los investigadores del departamento de Nanociencia Cuántica de la Universidad Tecnológica de Delft han incorporado con éxito una unión de grafeno Josephson en un circuito de microondas superconductor. Su trabajo proporciona una nueva perspectiva sobre la interacción de la superconductividad y el grafeno y sus posibilidades como material para las tecnologías cuánticas.

El bloque de construcción esencial de una computadora cuántica es el bit cuántico, o qubit. A diferencia de los bits normales, que puede ser uno o cero, qubits puede ser uno, cero o una superposición de ambos estados. Esta última posibilidad, que los bits pueden estar en una superposición de dos estados al mismo tiempo, permite que las computadoras cuánticas funcionen de formas que no son posibles con las computadoras clásicas. Las implicaciones son profundas:las computadoras cuánticas podrán resolver problemas que a una computadora normal le tomará más tiempo que la edad del universo para resolver.

Hay muchas formas de crear qubits. Uno de los métodos probados y comprobados es el uso de circuitos de microondas superconductores. Estos circuitos se pueden diseñar de tal manera que se comporten como osciladores armónicos "Si ponemos una carga en un lado, pasará por el inductor y oscilará hacia adelante y hacia atrás, ", dijo el profesor Gary Steele." Hacemos nuestros qubits de los diferentes estados de esta carga rebotando de un lado a otro ".

Un elemento esencial de los circuitos cuánticos de microondas es la llamada unión de Josephson, que puede, por ejemplo, consisten en un material no superconductor que separa dos capas de material superconductor. Pares de electrones superconductores pueden atravesar esta barrera, de un superconductor a otro, resultando en una supercorriente que puede fluir indefinidamente sin aplicar voltaje.

En las uniones Josephson de última generación para circuitos cuánticos, el eslabón débil es una fina capa de óxido de aluminio que separa dos electrodos de aluminio. "Sin embargo, Estos solo se pueden sintonizar con el uso de un campo magnético, potencialmente conduciendo a interferencias y calentamiento en el chip, lo que puede complicar su uso en futuras aplicaciones, "dijo Steele. El grafeno ofrece una posible solución. Ha demostrado albergar supercorrientes robustas a distancias de micrones que sobreviven en campos magnéticos de hasta unos pocos Tesla. Sin embargo, estos dispositivos se habían limitado hasta ahora a aplicaciones de corriente continua (CC). Aplicaciones en circuitos de microondas, como qubits o amplificadores paramétricos, no había sido explorado.

El equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Delft incorporó una unión de grafeno Josephson en un circuito de microondas superconductor. Al caracterizar su dispositivo en el régimen de DC, demostraron que su unión de grafeno Josephson exhibe una supercorriente balística que se puede sintonizar mediante el uso de un voltaje de puerta, lo que evita que el dispositivo se caliente. Al excitar el circuito con radiación de microondas, los investigadores observaron directamente la inductancia de Josephson de la unión, que hasta este momento no había sido directamente accesible en dispositivos superconductores de grafeno.

Los investigadores creen que las uniones de grafeno Josephson tienen el potencial de desempeñar un papel importante en las futuras computadoras cuánticas. "Queda por ver si se pueden convertir en qubits viables, sin embargo, ", dijo Steele. Si bien las uniones de grafeno eran lo suficientemente buenas para construir qubits, no eran tan coherentes como los circuitos cuánticos tradicionales de microondas basados ​​en uniones de óxido de aluminio, por lo que se requiere un mayor desarrollo de la tecnología. Sin embargo, en aplicaciones que no requieren una alta coherencia, la capacidad de sintonización de la puerta podría ser útil ahora. Una de esas aplicaciones es en amplificadores, que también son importantes en la infraestructura cuántica. Steele:"Estamos muy entusiasmados con el uso de estos dispositivos para aplicaciones de amplificadores cuánticos".

Los autores han hecho que todos los datos publicados en el manuscrito estén disponibles en un repositorio abierto, incluyendo la ruta de regreso a los datos tal como fueron medidos desde el instrumento. Además, los investigadores lanzaron todo el software utilizado para medir los datos, analizar los datos, y hacer los gráficos en las figuras bajo una licencia de código abierto.

Los resultados del estudio se han publicado en Comunicaciones de la naturaleza .