En computación cuántica , un qubit de carga (también conocido como caja de pares de Cooper ) es un qubit cuyos estados base son estados de carga (por ejemplo, estados que representan la presencia o ausencia de pares de Cooper en exceso en la isla). [1] [2] [3] En la computación cuántica superconductora , un qubit de carga [4] está formado por una pequeña isla superconductora acoplada por una unión de Josephson (o prácticamente, una unión de túnel superconductora) a un depósito superconductor (ver figura). El estado del qubit está determinado por el número de pares de Cooper que han atravesado la unión por túneles. En contraste con el estado de carga de un ion atómico o molecular, los estados de carga de tal "isla" involucran un número macroscópico de electrones de conducción de la isla. La superposición cuántica de los estados de carga se puede lograr ajustando el voltaje de la puerta U que controla el potencial químico de la isla. El qubit de carga se lee típicamente acoplando electrostáticamente la isla a un electrómetro extremadamente sensible como el transistor de un solo electrón de radiofrecuencia .
Los tiempos de coherencia T 2 típicos para un qubit de carga son del orden de 1 a 2 μs. [5] Un trabajo reciente ha demostrado que T 2 veces se acerca a 100 μs utilizando un tipo de qubit de carga conocido como transmon dentro de una cavidad superconductora tridimensional. [6] [7] La comprensión de los límites de T 2 es un área activa de investigación en el campo de superconductor computación cuántica .
Fabricación
Los qubits de carga se fabrican utilizando técnicas similares a las que se utilizan para la microelectrónica . Los dispositivos generalmente se fabrican en obleas de silicio o zafiro utilizando litografía por haz de electrones (diferente de la fase qubit , que usa fotolitografía ) y procesos de evaporación de película delgada metálica. Para crear uniones de Josephson , normalmente se utiliza una técnica conocida como evaporación de sombras ; esto implica evaporar el metal de origen alternativamente en dos ángulos a través de la máscara definida por litografía en la capa protectora de haz de electrones. Esto da como resultado dos capas superpuestas del metal superconductor, entre las cuales se deposita una capa delgada de aislante (normalmente óxido de aluminio ).
Hamiltoniano
Si el cruce de Josephson tiene una capacitancia de empalme , y el condensador de la puerta , entonces la energía de carga (Coulomb) de un par de Cooper es:
Si denota el número de pares de Cooper en exceso en la isla (es decir, su carga neta es ), entonces el hamiltoniano es: [4]
dónde es un parámetro de control conocido como carga de compensación efectiva ( es el voltaje de la puerta), y la energía Josephson del cruce de túneles.
A baja temperatura y bajo voltaje de puerta, se puede limitar el análisis solo al más bajo y estados y, por lo tanto, obtener un sistema cuántico de dos niveles (también conocido como qubit ).
Tenga en cuenta que algunos artículos recientes [8] [9] adoptan una notación diferente y definen la energía de carga como la de un electrón:
y luego el hamiltoniano correspondiente es:
Beneficios
Hasta la fecha, las realizaciones de qubits que han tenido más éxito son las trampas de iones y la RMN , y el algoritmo de Shor incluso se implementó utilizando RMN. [10] Sin embargo, es difícil ver que estos dos métodos se escalen a los cientos, miles o millones de qubits necesarios para crear una computadora cuántica . Las representaciones de estado sólido de qubits son mucho más fácilmente escalables, pero ellas mismas tienen su propio problema: la decoherencia . Los superconductores, sin embargo, tienen la ventaja de ser más fáciles de escalar y son más coherentes que los sistemas normales de estado sólido. [10]
Progreso experimental
Los qubits de carga superconductora han progresado rápidamente. Fueron sugeridos por primera vez en 1997 por Shnirman, [11] y en 2001 se observaron oscilaciones coherentes.
Referencias
- ↑ Bouchiat, V .; Vion, D .; Joyez, P .; Esteve, D .; Devoret, MH (1998). "Coherencia cuántica con un solo par de Cooper". Physica Scripta . Publicación de IOP. T76 (1): 165-170. doi : 10.1238 / physica.topical.076a00165 . ISSN 0031-8949 .
- ^ Nakamura, Y .; Pashkin, Yu. A.; Tsai, JS (1999). "Control coherente de estados cuánticos macroscópicos en una caja de un solo par de Cooper". Naturaleza . Springer Science and Business Media LLC. 398 (6730): 786–788. arXiv : cond-mat / 9904003 . doi : 10.1038 / 19718 . ISSN 0028-0836 .
- ^ Lehnert, KW; Bladh, K .; Spietz, LF; Gunnarsson, D .; Schuster, DI; et al. (17 de enero de 2003). "Medición de la vida útil del estado excitado de un circuito microelectrónico". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 90 (2): 027002. doi : 10.1103 / physrevlett.90.027002 . ISSN 0031-9007 .
- ^ a b Makhlin, Yuriy; Schoen, Gerd; Shnirman, Alexander (8 de mayo de 2001). "Ingeniería de estado cuántico con dispositivos de unión Josephson". Reseñas de Física Moderna . 73 (2): 357–400. arXiv : cond-mat / 0011269 . Código Bibliográfico : 2001RvMP ... 73..357M . doi : 10.1103 / RevModPhys.73.357 . ISSN 0034-6861 .
- ^ Houck, AA; Koch, Jens; Devoret, MH; Girvin, SM; Schoelkopf, RJ (11 de febrero de 2009). "Vida después del ruido de carga: resultados recientes con qubits transmon". Procesamiento de información cuántica . Springer Science and Business Media LLC. 8 (2-3): 105-115. arXiv : 0812.1865 . doi : 10.1007 / s11128-009-0100-6 . ISSN 1570-0755 .
- ^ Paik, Hanhee; Schuster, DI; Bishop, Lev S .; Kirchmair, G .; Catelani, G .; Sears, AP; Johnson, BR; Reagor, MJ; Frunzio, L .; Glazman, LI; Girvin, SM; Devoret, MH; Schoelkopf, RJ (5 de diciembre de 2011). "Observación de alta coherencia en Qubits de cruce Josephson medidos en una arquitectura QED de circuito tridimensional". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 107 (24): 240501. arXiv : 1105.4652 . doi : 10.1103 / physrevlett.107.240501 . ISSN 0031-9007 .
- ^ C. Rigetti y col. , "Qubit superconductor en la cavidad de la guía de ondas con un tiempo de coherencia cercano a 0,1 ms", arXiv: 1202.5533 (2012)
- ^ Didier, Nicolas; Sete, Eyob A .; da Silva, Marcus P .; Rigetti, Chad (23 de febrero de 2018). "Modelado analítico de qubits transmon modulados paramétricamente". Physical Review A . 97 (2): 022330. arXiv : 1706.06566 . Código bibliográfico : 2018PhRvA..97b2330D . doi : 10.1103 / PhysRevA.97.022330 . ISSN 2469-9926 .
- ^ Schreier, JA; Houck, AA; Koch, Jens; Schuster, DI; Johnson, BR; Chow, JM; Gambetta, JM; Majer, J .; Frunzio, L .; Devoret, MH; Girvin, SM (12 de mayo de 2008). "Supresión de la decoherencia de ruido de carga en Qubits de carga superconductores". Physical Review B . 77 (18): 180502. arXiv : 0712.3581 . Código Bibliográfico : 2008PhRvB..77r0502S . doi : 10.1103 / PhysRevB.77.180502 . ISSN 1098-0121 .
- ↑ a b Qubits de carga superconductora , por Denzil Anthony Rodrigues, página 3
- ^ Shnirman, Alexander; Schön, Gerd; Hermon, Ziv (22 de septiembre de 1997). "Manipulaciones cuánticas de pequeñas uniones Josephson". Cartas de revisión física . 79 (12): 2371–2374. arXiv : cond-mat / 9706016 . Código Bibliográfico : 1997PhRvL..79.2371S . doi : 10.1103 / physrevlett.79.2371 . ISSN 0031-9007 .