Físicos del Forschungszentrum Jülich y el Instituto Tecnológico de Karlsruhe han descubierto que las uniones de túneles Josephson (los componentes fundamentales de las computadoras cuánticas superconductoras) son más complejas de lo que se pensaba anteriormente.
Al igual que los armónicos en un instrumento musical, los armónicos se superponen al modo fundamental. Como consecuencia, las correcciones pueden conducir a bits cuánticos que sean de dos a siete veces más estables. Los investigadores respaldan sus hallazgos con evidencia experimental de múltiples laboratorios de todo el mundo, incluida la Universidad de Colonia, la Ecole Normale Supérieure de París y IBM Quantum en Nueva York.
Todo comenzó en 2019, cuando el Dr. Dennis Willsch y Dennis Rieger, dos Ph.D. estudiantes de FZJ y KIT en ese momento y primeros autores conjuntos de un nuevo artículo publicado en Nature Physics — estaban teniendo dificultades para comprender sus experimentos utilizando el modelo estándar para uniones de túneles Josephson. Este modelo le valió a Brian Josephson el Premio Nobel de Física en 1973.
Emocionado por llegar al fondo de esto, el equipo dirigido por el profesor Ioan Pop examinó más datos de la Ecole Normale Supérieure de París y de un dispositivo de 27 qubits en IBM Quantum de Nueva York, así como datos de experimentos publicados anteriormente. Independientemente, investigadores de la Universidad de Colonia observaron desviaciones similares de sus datos con respecto al modelo estándar.
"Afortunadamente, Gianluigi Catelani, que participó en ambos proyectos y se dio cuenta de la coincidencia, reunió a los equipos de investigación", recuerda el Dr. Dennis Willsch de FZ Jülich. "El momento era perfecto", añade el Dr. Chris Dickel de la Universidad de Colonia, "ya que en ese momento estábamos explorando consecuencias muy diferentes del mismo problema subyacente".
Las uniones de túnel Josephson constan de dos superconductores con una delgada barrera aislante en el medio y, durante décadas, estos elementos de circuito se han descrito con un modelo sinusoidal simple (ver imagen a continuación).
Sin embargo, como demuestran los investigadores, este "modelo estándar" no logra describir completamente las uniones de Josephson que se utilizan para construir bits cuánticos. En cambio, se requiere un modelo ampliado que incluya armónicos más altos para describir la corriente de túnel entre los dos superconductores. El principio también se puede encontrar en el campo de la música. Cuando se golpea la cuerda de un instrumento, la frecuencia fundamental se superpone con varios armónicos.
"Es emocionante que las mediciones en la comunidad hayan alcanzado el nivel de precisión con el que podemos resolver estas pequeñas correcciones en un modelo que se considera suficiente desde hace más de 15 años", comenta Dennis Rieger.
Cuando los cuatro profesores coordinadores (Ioan Pop de KIT y Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen y David DiVincenzo de FZJ) se dieron cuenta del impacto de los hallazgos, reunieron una gran colaboración de experimentalistas, teóricos y científicos de materiales para unir sus esfuerzos en la presentación. un caso convincente a favor del modelo de armónicos de Josephson.
En la Física de la Naturaleza publicación, los investigadores exploran el origen y las consecuencias de los armónicos de Josephson. "Como consecuencia inmediata, creemos que los armónicos de Josephson ayudarán a diseñar bits cuánticos mejores y más confiables al reducir los errores hasta un orden de magnitud, lo que nos acerca un paso más hacia el sueño de una computadora cuántica superconductora totalmente universal", afirmó. dos primeros autores concluyen.
Más información: Dennis Willsch et al, Observación de armónicos de Josephson en uniones de túneles, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02400-8
Proporcionado por el Instituto Tecnológico de Karlsruhe
