Flux qubit - Flux qubit

Na computação quântica , mais especificamente na computação quântica supercondutora , os qubits de fluxo (também conhecidos como qubits de corrente persistente ) são loops de metal supercondutor do tamanho de um micrômetro que são interrompidos por uma série de junções Josephson . Esses dispositivos funcionam como bits quânticos . O qubit de fluxo foi proposto pela primeira vez por Terry P. Orlando et al. no MIT em 1999 e fabricado logo depois. Durante a fabricação, os parâmetros de junção Josephson são projetados para que uma corrente persistente flua continuamente quando um fluxo magnético externo é aplicado. Apenas um número inteiro de quanta de fluxo tem permissão para penetrar no anel supercondutor, resultando em supercorrentes mesoscópicas no sentido horário ou anti-horário (normalmente 300 nA) no loop para compensar (filtrar ou melhorar) uma polarização de fluxo externo não inteiro. Quando o fluxo aplicado através da área do loop está perto de meio número inteiro de quanta de fluxo, os dois estados próprios de energia mais baixos do loop serão uma superposição quântica das correntes no sentido horário e anti-horário. Os dois estados próprios de energia mais baixos diferem apenas pelo fase quântica relativa entre os estados que compõem a direção da corrente. Os estados próprios de energia mais alta correspondem a correntes persistentes muito maiores ( macroscópicas ), que induzem um quantum de fluxo adicional ao loop de qubit, portanto, estão bem separados energeticamente dos dois estados próprios mais baixos. Essa separação, conhecida como critério de "não linearidade qubit", permite operações apenas com os dois eigenstates mais baixos, criando efetivamente um sistema de dois níveis . Normalmente, os dois eigenstates mais baixos servirão como base computacional para o qubit lógico .

Imagem SEM de um qubit de fluxo de 4 junções fabricado na Royal Holloway University of London.

As operações computacionais são realizadas pulsando o qubit com radiação de frequência de microondas que tem uma energia comparável à do gap entre a energia dos dois estados básicos, semelhante ao RF-SQUID . A duração e a força do pulso adequadamente selecionadas podem colocar o qubit em uma superposição quântica dos dois estados de base, enquanto os pulsos subsequentes podem manipular a ponderação de probabilidade de que o qubit será medido em qualquer um dos dois estados de base, realizando assim uma operação computacional.

Fabricação

Os qubits de fluxo são fabricados usando técnicas semelhantes às usadas para microeletrônica . Os dispositivos são geralmente feitos em wafers de silício ou safira usando litografia de feixe de elétrons e processos de evaporação de filme fino metálico. Para criar junções Josephson , normalmente é usada uma técnica conhecida como evaporação de sombra ; isso envolve a evaporação do metal da fonte alternadamente em dois ângulos através da máscara definida pela litografia na resistência do feixe de elétrons. Isso resulta em duas camadas sobrepostas de metal supercondutor, entre as quais uma fina camada de isolante (normalmente óxido de alumínio ) é depositada.

O grupo do Dr. Shcherbakova relatou o uso de nióbio como contatos para seus qubits de fluxo. O nióbio é frequentemente usado como contato e é depositado por meio de uma técnica de pulverização catódica e litografia óptica para padronizar os contatos. Um feixe de argônio pode então ser usado para reduzir a camada de óxido que se forma na parte superior dos contatos. A amostra deve ser resfriada durante o processo de corrosão para evitar que os contatos de nióbio derretam. Neste ponto, as camadas de alumínio podem ser depositadas sobre as superfícies limpas de nióbio. O alumínio é então depositado em duas etapas a partir de ângulos alternados nos contatos de nióbio. Uma camada de óxido se forma entre as duas camadas de alumínio para criar a junção Al / AlO x / Al Josephson. Em qubits de fluxo padrão, 3 ou 4 junções Josephson serão padronizadas em torno do loop.

Ressonadores podem ser fabricados para medir a leitura do qubit de fluxo por meio de técnicas semelhantes. O ressonador pode ser fabricado por litografia de feixe eletrônico e corrosão iônica reativa CF 4 de filmes finos de nióbio ou um metal semelhante. O ressonador poderia então ser acoplado ao qubit de fluxo fabricando o qubit de fluxo no final do ressonador.

Parâmetros de fluxo Qubit

O qubit de fluxo se distingue de outros tipos conhecidos de qubit supercondutor , como o qubit de carga ou qubit de fase, pela energia de acoplamento e energia de carga de suas junções. No regime de carga qubit, a energia de carga das junções domina a energia de acoplamento. Em um fluxo qubit, a situação é invertida e a energia de acoplamento predomina. Normalmente, para um qubit de fluxo, a energia de acoplamento é 10-100 vezes maior do que a energia de carga, o que permite que os pares de Cooper fluam continuamente ao redor do loop, em vez de fazer um túnel discretamente através das junções como um qubit de carga.

Josephson Junctions

Para que um circuito supercondutor funcione como um qubit, é necessário que haja um elemento não linear. Se o circuito tem um oscilador harmônico, como em um circuito LC , os níveis de energia são degenerados. Isso proíbe a formação de um espaço computacional de dois qubit porque qualquer radiação de microondas que é aplicada para manipular o estado fundamental e o primeiro estado excitado para realizar operações qubit também excitaria os estados de energia mais alta. As junções Josephson são o único elemento eletrônico não linear e também não dissipativo em baixas temperaturas. Esses são requisitos para circuitos integrados quânticos, tornando a junção Josephson essencial na construção de qubits de fluxo. Compreender a física da junção Josephson irá melhorar a compreensão de como funcionam os qubits de fluxo.

Essencialmente, as junções Josephson consistem em duas peças de filme fino supercondutor que são separadas por uma camada de isolante. No caso de saídas de fluxo, as junções Josephson são fabricadas pelo processo descrito acima. As funções de onda dos componentes supercondutores se sobrepõem, e essa construção permite o tunelamento de elétrons, o que cria uma diferença de fase entre as funções de onda em ambos os lados da barreira isolante. Esta diferença de fase é equivalente a , onde correspondem às funções de onda em ambos os lados da barreira de tunelamento. Para esta diferença de fase, as seguintes relações Josephson foram estabelecidas:

E

Aqui, está a corrente Josephson e é o quantum do fluxo. Diferenciando a equação atual e usando substituição, obtém-se o termo de indutância de Josephson :

A partir dessas equações, pode-se ver que o termo de indutância de Josephson não é linear do termo de cosseno no denominador; por isso, os espaçamentos dos níveis de energia não são mais degenerados, restringindo a dinâmica do sistema aos dois estados qubit. Por causa da não linearidade da junção Josephson, as operações usando microondas podem ser realizadas nos dois estados de autovalor de energia mais baixa (os dois estados de qubit) sem excitar os estados de energia mais alta. Isso era anteriormente conhecido como o critério de "não linearidade qubit". Assim, as junções Josephson são um elemento integral dos qubits de fluxo e circuitos supercondutores em geral.

Acoplamento

O acoplamento entre dois ou mais qubits é essencial para implementar portas de muitos qubits . Os dois mecanismos básicos de acoplamento são o acoplamento indutivo direto e o acoplamento por meio de um ressonador de micro-ondas. No acoplamento direto, as correntes circulantes dos qubits afetam indutivamente umas às outras - a corrente no sentido horário em um qubit induz a corrente no sentido anti-horário no outro. No formalismo das Matrizes de Pauli , um termo σ z σ z aparece no Hamiltoniano , essencial para a implementação controlada da porta NOT . O acoplamento direto pode ser ainda mais aprimorado pela indutância cinética , se os loops de qubit forem feitos para compartilhar uma borda, de modo que as correntes fluam através da mesma linha supercondutora. A inserção de uma junção Josephson nessa linha de junta adicionará um termo de indutância Josephson e aumentará ainda mais o acoplamento. Para implementar um acoplamento comutável no mecanismo de acoplamento direto, conforme necessário para implementar uma porta de duração finita, um circuito de acoplamento intermediário pode ser usado. O fluxo magnético de controle aplicado ao laço do acoplador liga e desliga o acoplamento, conforme implementado, por exemplo, nas máquinas D-Wave Systems . O segundo método de acoplamento utiliza um ressonador de cavidade de micro-ondas intermediário , comumente implementado em uma geometria de guia de onda coplanar . Ao ajustar a separação de energia dos qubits para coincidir com a do ressonador, as fases das correntes de loop são sincronizadas e um acoplamento σ x σ x é implementado. Ajustar os qubits dentro e fora da ressonância (por exemplo, modificando seu fluxo magnético de polarização) controla a duração da operação do gate.

Leia

Como todos os bits quânticos, os qubits de fluxo requerem uma sonda adequadamente sensível acoplada a ele para medir seu estado após a realização de um cálculo. Essas sondas quânticas devem introduzir o mínimo possível de ação reversa no qubit durante a medição. Idealmente, eles devem ser desacoplados durante o cálculo e, em seguida, "ligados" por um curto período de tempo durante a leitura. As sondas de leitura para qubits de fluxo funcionam interagindo com uma das variáveis ​​macroscópicas do qubit, como a corrente circulante, o fluxo dentro do loop ou a fase macroscópica do supercondutor. Essa interação, então, muda alguma variável da sonda de leitura que pode ser medida usando eletrônicos convencionais de baixo ruído. A sonda de leitura é normalmente o aspecto da tecnologia que separa a pesquisa de diferentes grupos de universidades que trabalham com qubits de fluxo.

O grupo do Prof. Mooij em Delft na Holanda, junto com colaboradores, foi pioneiro na tecnologia de qubit de fluxo e foi o primeiro a conceber, propor e implementar qubits de fluxo como são conhecidos hoje. O esquema de leitura de Delft é baseado em um loop SQUID que é indutivamente acoplado ao qubit, o estado do qubit influencia a corrente crítica do SQUID. A corrente crítica pode então ser lida usando correntes de medição em rampa através do SQUID. Recentemente, o grupo usou a frequência de plasma do SQUID como variável de leitura.

O grupo do Dr. Il'ichev no IPHT Jena na Alemanha está usando técnicas de medição de impedância baseadas no qubit de fluxo que influencia as propriedades ressonantes de um circuito de tanque de alta qualidade, que, como o grupo Delft, também é indutivamente acoplado ao qubit. Neste esquema, a susceptibilidade magnética do qubit, que é definida por seu estado, muda o ângulo de fase entre a corrente e a tensão quando um pequeno sinal AC é passado para o circuito tanque.

O grupo do Prof. Petrashov em Royal Holloway está usando uma sonda de interferômetro Andreev para ler qubits de fluxo. Esta leitura usa a influência de fase de um supercondutor nas propriedades de condutância de um metal normal. Um comprimento de metal normal é conectado em cada extremidade de cada lado do qubit usando condutores supercondutores, a fase através do qubit, que é definida por seu estado, é traduzida no metal normal, cuja resistência é então lida usando medições de baixa resistência a ruído.

O grupo do Dr. Jerger usa ressonadores que são acoplados ao qubit de fluxo. Cada ressonador é dedicado a apenas um qubit, e todos os ressonadores podem ser medidos com uma única linha de transmissão. O estado do qubit de fluxo altera a frequência de ressonância do ressonador devido a um deslocamento dispersivo que é captado pelo ressonador a partir do acoplamento com o qubit de fluxo. A frequência ressonante é então medida pela linha de transmissão para cada ressonador no circuito. O estado do qubit de fluxo é então determinado pelo deslocamento medido na frequência de ressonância.

Referências

  1. ^ Orlando, TP; Mooij, JE; Tian, ​​Lin; Van Der Wal, Caspar H .; Levitov, LS; Lloyd, Seth; Mazo, JJ (1999). "Supercondutor de qubit de corrente persistente". Physical Review B . 60 (22): 15398–15413. arXiv : cond-mat / 9908283 . Bibcode : 1999PhRvB..6015398O . doi : 10.1103 / PhysRevB.60.15398 . S2CID  16093985 .
  2. ^ a b Universidade de Delft - Site do Flux Qubit arquivado em 01-03-2008 em archive.today
  3. ^ a b Shcherbakova, AV (13 de janeiro de 2015). "Fabricação e medições de junções híbridas Nb / Al Josephson e qubits de fluxo com deslocadores π" . Ciência e tecnologia de supercondutores . 28 (2): 025009. arXiv : 1405,0373 . Bibcode : 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 (novembro de 2011). "Leitura de uma matriz qubit por meio de uma única linha de transmissão" . EPL (Cartas Europhysics) . 96 (4): 40012. arXiv : 1102.0404 . Bibcode : 2011EL ..... 9640012J . doi : 10.1209 / 0295-5075 / 96/40012 . ISSN  0295-5075 . S2CID  59796640 .
  5. ^ a b Devoret, M. & Wallraff, Andreas & Martinis, JM. (2004). Qubits supercondutores: uma breve revisão.
  6. ^ a b c Martinis, John & Osborne, Kevin. Superconducing Qubits and the Physics of Josephson Junctins. Les Houches, 2004.
  7. ^ Nielsen, Michael A .; Chuang, Isaac L. (2000). Computação quântica e informação quântica . Cambridge University Press. ISBN 0-521-63235-8.
  8. ^ Universidade de Jena - Site do Flux Qubit arquivado em 14 de fevereiro de 2007, na máquina Wayback
  9. ^ Royal Holloway University of London - Site do Flux Qubit
  10. ^ Checkley, C .; Iagallo, A .; Shaikhaidarov, R .; Nicholls, JT; Petrashov, VT (06-04-2011). "Andreev interferômetros em um campo forte de radiofrequência". Journal of Physics: Condensed Matter . 23 (13): 135301. arXiv : 1003,2785 . Bibcode : 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 (27/09/2005). "Sonda de Andreev de estados atuais persistentes em circuitos quânticos supercondutores". Cartas de revisão física . 95 (14): 147001. arXiv : cond-mat / 0503061 . Bibcode : 2005PhRvL..95n7001P . doi : 10.1103 / PhysRevLett.95.147001 . ISSN  0031-9007 . PMID  16241686 . S2CID  963004 .