La tecnología cuántica podría superar a las computadoras convencionales en algunas tareas computacionales y de optimización avanzadas. En los últimos años, los físicos han estado trabajando para identificar nuevas estrategias para crear sistemas cuánticos y qubits prometedores (es decir, unidades básicas de información en computadoras cuánticas).

Investigadores del Instituto de Sistemas Complejos de CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos y otros institutos de todo el mundo han introducido recientemente un nuevo qubit superconductor y con derivación capacitiva, al que denominaron "flowermon". Este qubit, presentado en Physical Review Letters , se basa en heteroestructuras retorcidas de cuprato de van der Waals.

"El proyecto surgió por una buena oportunidad, durante un intento de combinar los lenguajes de nuestras diferentes experiencias en la conversación", dijo a Phys.org Uri Vool, coautor del artículo. "La motivación inicial fue el trabajo reciente de nuestro colaborador Nicola Poccia, quien fue capaz de lograr una 'heteroestructura retorcida de Van der Waals' donde pueden controlar el ángulo entre capas individuales en el novedoso superconductor de cuprato BSCCO sin arruinar sus propiedades únicas.

"Nicola Poccia nos preguntó a Valentina Brosco y a mí si esto podría usarse de alguna manera como un qubit o dispositivo para la tecnología cuántica. Al principio estaba bastante escéptico, pero esto llevó a varias sesiones de lluvia de ideas entre Valentina y yo que finalmente convergieron en la idea presentada en nuestro periódico."

La mayoría de los experimentos destinados a crear circuitos superconductores cuánticos han empleado materiales superconductores convencionales y ampliamente estudiados, como el aluminio o el niobio. Sin embargo, alrededor del año 2000, algunos físicos teóricos exploraron la idea de introducir circuitos superconductores protegidos contra el ruido que aprovecharan la simetría única de los superconductores no convencionales.

Como la realización de esta idea en entornos experimentales parecía inviable en ese momento, estos trabajos teóricos fueron abandonados durante varios años. El reciente estudio de Vool, Poccia, Brosco y sus colegas recupera esta idea para crear un nuevo qubit superconductor.

"A medida que se desarrollaron los circuitos superconductores, hubo varias propuestas para crear circuitos con protección contra el ruido diseñando los elementos del circuito de una manera que lograra una simetría", dijo Vool. "Estas ideas son muy interesantes, pero la implementación experimental siempre fue un desafío ya que las imperfecciones, por ejemplo, en la inductancia relativa de los elementos del circuito o el flujo aplicado en el bucle que forman rompieron la simetría y degradaron su rendimiento.

"En el flowermon, notamos que un circuito simple que utiliza una heteroestructura de cuprato de Van der Waals retorcida también proporciona esta protección, que proviene de la simetría del material en sí y no de la ubicación del circuito".

La estructura y propiedades únicas del flowermon, el qubit introducido por este equipo de investigación, pueden mejorar en gran medida la robustez de un circuito superconductor, ya que elimina la necesidad de sintonización o flujo. Sobre la base de esfuerzos de investigación anteriores centrados en circuitos protegidos, Vool y sus colegas demostraron el potencial de los materiales con una simetría inherente para crear sistemas superconductores cuánticos.

"Nuestro trabajo muestra que el uso de materiales con simetría inherente en lugar de simetría diseñada produce un qubit robusto que no requiere ajustes", explicó Vool. "El flowermon moderniza la vieja idea de utilizar superconductores no convencionales para circuitos cuánticos protegidos y la combina con nuevas técnicas de fabricación y una nueva comprensión de la coherencia de los circuitos superconductores."

El nuevo qubit introducido por los investigadores se compone esencialmente de una única unión BSCCO van der Waals Josephson. Esta unión tiene un ángulo de torsión de alrededor de 45°, desviada por un condensador grande y un resonador superconductor de lectura.

"A pesar de su simplicidad, la naturaleza única de onda d retorcida del parámetro de orden permite al flowermon codificar información en estados propios que preservan la paridad", dijo Valentina Brosco, coautora del artículo. "Idealmente, esto aporta una mejora de órdenes de magnitud en el tiempo de relajación con respecto al conocido transmon. Además, el control sobre el ángulo de torsión demostrado en el experimento sugiere que, al contrario de lo que sucede en las uniones estándar de onda D, en el flowermon la disipación inducida por cuasipartículas se suprime exponencialmente."

El diseño simple del flowermon aprovecha las características complejas y peculiares del túnel Josephson entre dos delgadas escamas de BSCCO con un ángulo de torsión relativo.

Otra ventaja del nuevo qubit es su distintiva estructura espectral, que permite la manipulación de circuitos electrodinámicos cuánticos (cQED) y esquemas de lectura.

"Creo que el flowermon ofrece una excelente ilustración de las funcionalidades emergentes que se pueden lograr mediante la integración de materiales complejos y heteroestructuras en dispositivos cuánticos, particularmente dentro del ámbito de los circuitos superconductores", dijo Brosco. "Lo que encontré extremadamente interesante y fascinante es que la fuerza del circuito flowermon está incorporada en la función de onda de muchos cuerpos que conduce a una relación corriente-fase con un término de túnel de dos pares de cobre dominante".

A diferencia de otros qubits protegidos por paridad que se realizan mediante ingeniería de circuitos complejos, el flowermon se basa en mecanismos físicos naturales. La robustez reportada de este diseño único podría inspirar a otros físicos a explorar el potencial de las heteroestructuras retorcidas de cuprato de Van der Waals para crear circuitos superconductores.

"La idea detrás del flowermon se puede ampliar en varias direcciones:buscar diferentes superconductores o uniones que produzcan efectos similares, explorar la posibilidad de realizar nuevos dispositivos cuánticos basados ​​en el flowermon", dijo Brosco. "Estos dispositivos combinarían los beneficios de los materiales cuánticos y los circuitos cuánticos coherentes o utilizarían el flowermon o un diseño relacionado para investigar la física de heteroestructuras superconductoras complejas".

Vool, Brosco y sus colaboradores ahora planean realizar estudios teóricos y experimentales adicionales. En su trabajo teórico planean abordar varios aspectos del circuito que introdujeron.

En particular, el circuito de Flowermon abre una nueva ruta posible para ampliar la comprensión de los superconductores no convencionales que utilizan circuitos cuánticos. Esto es muy relevante, ya que las propiedades de estos materiales siguen siendo uno de los mayores misterios de la física de la materia condensada.

"Este es sólo el primer ejemplo concreto y simple de utilización de las propiedades inherentes de un material para fabricar un nuevo dispositivo cuántico, y esperamos aprovecharlo y encontrar ejemplos adicionales, estableciendo eventualmente un campo de investigación que combine la física de materiales complejos con dispositivos cuánticos. ", añadió Vool.

"Experimentalmente, todavía hay mucho trabajo por hacer para implementar esta propuesta. Actualmente estamos fabricando y midiendo circuitos superconductores híbridos que integran estos superconductores de Van der Waals, y esperamos utilizar estos circuitos para comprender mejor el material y, eventualmente, diseñar y medir. circuitos superconductores híbridos protegidos para convertirlos en dispositivos realmente útiles."

Más información: Valentina Brosco et al, Qubit superconductor basado en heteroestructuras de cuprato trenzado de Van der Waals, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.017003. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.00839

Información de la revista: Cartas de revisión física , arXiv

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