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En la computación cuántica , más específicamente en la computación cuántica superconductora , los qubits de flujo (también conocidos como qubits de corriente persistente ) son bucles de metal superconductor del tamaño de un micrómetro que se interrumpen por una serie de uniones Josephson . Estos dispositivos funcionan como bits cuánticos . El qubit de flujo fue propuesto por primera vez por Terry P. Orlando et al. en el MIT en 1999 y fabricado poco después. [1] Durante la fabricación, los parámetros de unión de Josephson están diseñados para que una corriente persistente fluya continuamente cuando se aplica un flujo magnético externo. Solo un número entero de cuantos de flujose les permite penetrar el anillo superconductor, dando como resultado supercorrientes mesoscópicas en sentido horario o antihorario (típicamente 300 nA [2] ) en el bucle para compensar (filtrar o mejorar) un sesgo de flujo externo no entero. Cuando el flujo aplicado a través del área del bucle se acerca a un número medio entero de cuantos de flujo, los dos estados propios de energía más baja del bucle serán una superposición cuántica de las corrientes en sentido horario y antihorario. fase cuántica relativa entre los estados que componen la dirección de la corriente. Los estados propios de mayor energía corresponden a mucho más grandes ( macroscópicos) corrientes persistentes, que inducen un cuanto de flujo adicional al bucle de qubit, por lo que están bien separadas energéticamente de los dos estados propios más bajos. Esta separación, conocida como el criterio de "no linealidad qubit", permite operaciones con los dos estados propios más bajos solamente, creando efectivamente un sistema de dos niveles . Por lo general, los dos estados propios más bajos servirán como base computacional para el qubit lógico .

Imagen SEM de un qubit de flujo de 4 uniones fabricado en la Universidad Royal Holloway de Londres.

Operaciones de cálculo se realizan mediante un pulso el qubit con microondas la radiación de frecuencia que tiene una energía comparable a la de la brecha entre la energía de los dos estados de la base, similar a RF-SQUID . La duración y la fuerza del pulso correctamente seleccionadas pueden colocar el qubit en una superposición cuántica de los dos estados básicos, mientras que los pulsos posteriores pueden manipular la ponderación de probabilidad de que el qubit se medirá en cualquiera de los dos estados básicos, realizando así una operación computacional.

Fabricación [ editar ]

Los qubits de flujo se fabrican utilizando técnicas similares a las utilizadas para la microelectrónica . Los dispositivos generalmente se fabrican en obleas de silicio o zafiro utilizando litografía por haz de electrones 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 ). [3]

El grupo de la Dra. Shcherbakova informó que usaba niobio como contactos para sus qubits de flujo. El niobio se utiliza a menudo como contacto y se deposita empleando una técnica de pulverización catódica y utilizando litografía óptica para modelar los contactos. Luego, se puede usar un haz de argón para reducir la capa de óxido que se forma en la parte superior de los contactos. La muestra debe enfriarse durante el proceso de grabado para evitar que los contactos de niobio se derritan. En este punto, las capas de aluminio se pueden depositar sobre las superficies limpias de niobio. A continuación, el aluminio se deposita en dos pasos desde ángulos alternos sobre los contactos de niobio. Se forma una capa de óxido entre las dos capas de aluminio para crear la unión Al / AlO x / Al Josephson. [3] En qubits de flujo estándar, se modelarán 3 o 4 uniones Josephson alrededor del bucle.

Se pueden fabricar resonadores para medir la lectura del qubit de flujo mediante técnicas similares. El resonador se puede fabricar mediante litografía por haz de electrones y grabado con iones reactivos CF 4 de películas delgadas de niobio o un metal similar. El resonador podría entonces acoplarse al qubit de flujo fabricando el qubit de flujo al final del resonador. [4]

Parámetros de Flux Qubit [ editar ]

El qubit de flujo se distingue de otros tipos conocidos de qubit superconductores como el qubit de carga o el qubit de fase por la energía de acoplamiento y la energía de carga de sus uniones. En el régimen de carga qubit, la energía de carga de las uniones domina la energía de acoplamiento. En un qubit de Flux, la situación se invierte y la energía de acoplamiento domina. Normalmente, para un qubit de flujo, la energía de acoplamiento es de 10 a 100 veces mayor que la energía de carga, lo que permite que los pares de Cooper fluyan continuamente alrededor del bucle, en lugar de hacer un túnel discretamente a través de las uniones como un qubit de carga.

Josephson Junctions [ editar ]

Para que un circuito superconductor funcione como un qubit, debe haber un elemento no lineal. Si el circuito tiene un oscilador armónico, como en un circuito LC , los niveles de energía están degenerados. Esto prohíbe la formación de un espacio computacional de dos qubit porque cualquier radiación de microondas que se aplique para manipular el estado fundamental y el primer estado excitado para realizar operaciones de qubit también excitaría los estados de mayor energía. Las uniones de Josephson son el único elemento electrónico que no es lineal ni disipativo a bajas temperaturas. Estos son requisitos para los circuitos integrados cuánticos, lo que hace que la unión de Josephson sea esencial en la construcción de qubits de flujo. [5] Comprender la física de la unión de Josephson mejorará la comprensión de cómo operan los qubits de flujo.

Esencialmente, las uniones de Josephson consisten en dos piezas de película delgada superconductora que están separadas por una capa de aislante. En el caso de las salidas de flujo, las uniones Josephson se fabrican mediante el proceso que se describe anteriormente. Las funciones de onda de los componentes superconductores se superponen, y esta construcción permite el túnel de electrones que crea una diferencia de fase entre las funciones de onda a cada lado de la barrera aislante. [5] Esta diferencia de fase que es equivalente a , donde corresponde a las funciones de onda a cada lado de la barrera de tunelización. Para esta diferencia de fase, se han establecido las siguientes relaciones de Josephson :


[6] y [6]


Aquí, está la corriente de Josephson y es el cuanto de flujo. Al diferenciar la ecuación actual y utilizar la sustitución, se obtiene el término de inductancia de Josephson :


[6]


A partir de estas ecuaciones, se puede ver que el término de inductancia de Josephson no es lineal del término coseno en el denominador; debido a esto, los espaciamientos de niveles de energía ya no están degenerados, restringiendo la dinámica del sistema a los dos estados qubit. Debido a la no linealidad de la unión de Josephson, las operaciones que usan microondas se pueden realizar en los dos estados de valor propio de energía más baja (los dos estados de qubit) sin excitar los estados de energía más alta. Esto se conocía anteriormente como el criterio de "no linealidad qubit". Por lo tanto, las uniones de Josephson son un elemento integral de los qubits de flujo y los circuitos superconductores en general.

Acoplamiento [ editar ]

El acoplamiento entre dos o más qubits es esencial para implementar puertas de muchos qubits . Los dos mecanismos de acoplamiento básicos son el acoplamiento inductivo directo y el acoplamiento a través de un resonador de microondas. En el acoplamiento directo, las corrientes circulantes de los qubits se afectan inductivamente entre sí: la corriente en sentido horario en un qubit induce corriente en sentido antihorario en el otro. En el formalismo de matrices de Pauli , aparece un término σ z σ z en el hamiltoniano , esencial para la implementación controlada de la puerta NOT . [7] El acoplamiento directo podría mejorarse aún más mediante la inductancia cinética., si los bucles de qubit se hacen para compartir un borde, de modo que las corrientes fluyan a través de la misma línea superconductora. Insertar una unión de Josephson en esa línea de unión agregará un término de inductancia de Josephson y aumentará aún más el acoplamiento. Para implementar un acoplamiento conmutable en el mecanismo de acoplamiento directo, según sea necesario para implementar una puerta de duración finita, se puede utilizar un bucle de acoplamiento intermedio. El flujo magnético de control aplicado al lazo del acoplador enciende y apaga el acoplamiento, como se implementa, por ejemplo, en las máquinas de D-Wave Systems . El segundo método de acoplamiento utiliza un resonador de cavidad de microondas intermedio , comúnmente implementado en una guía de ondas coplanar.geometría. Al ajustar la separación de energía de los qubits para que coincida con la del resonador, las fases de las corrientes de bucle se sincronizan y se implementa un acoplamiento σ x σ x . Sintonizar los qubits dentro y fuera de la resonancia (por ejemplo, modificando su flujo magnético de polarización) controla la duración de la operación de la puerta.

Lectura [ editar ]

Como todos los bits cuánticos, los qubits de flujo requieren una sonda adecuadamente sensible acoplada a él para medir su estado después de que se haya realizado un cálculo. Estas sondas cuánticas deberían introducir la menor retroacción posible en el qubit durante la medición. Idealmente, deberían desacoplarse durante el cálculo y luego "encenderse" durante un breve período de tiempo durante la lectura. Las sondas de lectura para qubits de flujo funcionan interactuando con una de las variables macroscópicas del qubit, como la corriente circulante, el flujo dentro del bucle o la fase macroscópica del superconductor. Esta interacción luego cambia alguna variable de la sonda de lectura que se puede medir usando electrónica convencional de bajo ruido. La sonda de lectura es típicamente el aspecto tecnológico que separa la investigación de diferentes grupos universitarios que trabajan en qubits de flujo.

El grupo del profesor Mooij en Delft en los Países Bajos, [2] junto con sus colaboradores, ha sido pionero en la tecnología flux qubit, y fueron los primeros en concebir, proponer e implementar flux qubits como se los conoce hoy en día. El esquema de lectura de Delft se basa en un bucle SQUID que está acoplado inductivamente al qubit, el estado del qubit influye en la corriente crítica del SQUID. A continuación, se puede leer la corriente crítica utilizando corrientes de medición en rampa a través del SQUID. Recientemente, el grupo ha utilizado la frecuencia plasmática del SQUID como variable de lectura.

El grupo del Dr. Il'ichev en IPHT Jena en Alemania [8] está utilizando técnicas de medición de impedancia basadas en el flujo qubit que influye en las propiedades resonantes de un circuito de tanque de alta calidad, que, como el grupo Delft, también está acoplado inductivamente al qubit. En este esquema, la susceptibilidad magnética del qubit, que se define por su estado, cambia el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje cuando se pasa una pequeña señal de CA al circuito del tanque.

El grupo del profesor Petrashov en Royal Holloway [9] está utilizando una sonda de interferómetro de Andreev para leer qubits de flujo. [10] [11] Esta lectura utiliza la influencia de fase de un superconductor en las propiedades de conductancia de un metal normal. Una longitud de metal normal se conecta en cada extremo a cada lado del qubit utilizando cables superconductores, la fase a través del qubit, que se define por su estado, se traduce en el metal normal, cuya resistencia se lee luego usando Mediciones de baja resistencia al ruido.

El grupo del Dr. Jerger usa resonadores que están acoplados con el qubit de flujo. Cada resonador está dedicado a un solo qubit, y todos los resonadores se pueden medir con una sola línea de transmisión. El estado del qubit de flujo altera la frecuencia de resonancia del resonador debido a un cambio dispersivo que es recogido por el resonador del acoplamiento con el qubit de flujo. A continuación, la línea de transmisión mide la frecuencia de resonancia para cada resonador del circuito. El estado del qubit de flujo se determina luego por el desplazamiento medido en la frecuencia resonante. [4]

Referencias [ editar ]

  1. ^ Orlando, TP; Mooij, JE; Tian, ​​Lin; Van Der Wal, Caspar H .; Levitov, LS; Lloyd, Seth; Mazo, JJ (1999). "Qubit superconductor de corriente persistente". Physical Review B . 60 (22): 15398-15413. arXiv : cond-mat / 9908283 . Código Bibliográfico : 1999PhRvB..6015398O . doi : 10.1103 / PhysRevB.60.15398 . S2CID  16093985 .
  2. ^ a b Universidad de Delft - Sitio web Flux Qubit Archivado 2008-03-01 en archive.today
  3. ↑ a b Shcherbakova, AV (13 de enero de 2015). "Fabricación y medidas de uniones híbridas Nb / Al Josephson y qubits de flujo con π-shifters" . Ciencia y tecnología de superconductores . 28 (2): 025009. arXiv : 1405.0373 . Código bibliográfico : 2015SuScT..28b5009S . doi : 10.1088 / 0953-2048 / 28/2/025009 . S2CID 118577242 . 
  4. ^ a b Jerger, M .; Poletto, S .; Macha, P .; Hübner, U .; Lukashenko, A .; Il \ textquotesingleichev, E .; Ustinov, AV (noviembre de 2011). "Lectura de una matriz de qubit a través de una sola línea de transmisión" . EPL (Cartas Europhysics) . 96 (4): 40012. arXiv : 1102.0404 . Código bibliográfico : 2011EL ..... 9640012J . doi : 10.1209 / 0295-5075 / 96/40012 . ISSN 0295-5075 . S2CID 59796640 .  
  5. ^ a b Devoret, M. y Wallraff, Andreas y Martinis, JM. (2004). Qubits superconductores: una breve reseña.
  6. ^ a b c Martinis, John y Osborne, Kevin. Qubits superconductores y la física de Josephson Junctins. Les Houches, 2004.
  7. ^ Nielsen, Michael A .; Chuang, Isaac L. (2000). Computación cuántica e información cuántica . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 0-521-63235-8.
  8. ^ Universidad de Jena - Sitio web de Flux Qubit Archivado el 14 de febrero de 2007 en la Wayback Machine.
  9. ^ Universidad Royal Holloway de Londres - Sitio web de Flux Qubit
  10. ^ Checkley, C .; Iagallo, A .; Shaikhaidarov, R .; Nicholls, JT; Petrashov, VT (6 de abril de 2011). "Interferómetros de Andreev en un campo de radiofrecuencia fuerte". Revista de física: materia condensada . 23 (13): 135301. arXiv : 1003.2785 . Código Bib : 2011JPCM ... 23m5301C . doi : 10.1088 / 0953-8984 / 23/13/135301 . ISSN 0953-8984 . PMID 21403240 . S2CID 24551976 .   
  11. ^ Petrashov, VT; Chua, KG; Marshall, KM; Shaikhaidarov, R. Sh; Nicholls, JT (27 de septiembre de 2005). "Sonda de Andreev de estados actuales persistentes en circuitos cuánticos superconductores". Cartas de revisión física . 95 (14): 147001. arXiv : cond-mat / 0503061 . Código Bibliográfico : 2005PhRvL..95n7001P . doi : 10.1103 / PhysRevLett.95.147001 . ISSN 0031-9007 . PMID 16241686 . S2CID 963004 .   
  • Devoret, Michel H .; Martinis, John M. (2005). "Implementación de qubits con circuitos integrados superconductores". Aspectos experimentales de la computación cuántica : 163-203. doi : 10.1007 / 0-387-27732-3_12 . ISBN 978-0-387-23045-0.