Nuevos cubits superconductores de larga vida

Dibujo20140417in Josephson junction quasiparticles receiving a quanta of excitation from the qubit or environment can tunnel across the junction - nature

En un superconductor conviven electrones libres, pares de Cooper y cuasipartículas de Bogoliubov. Estas últimas se forman cuando los dos electrones de un par de Cooper se separan y decaen en un excitón (combinación de un electrón y un hueco). Cuando una unión Josephson se usa para implementar un cubit superconductor (aprovechando los estados de superposición entre las corrientes en ambos sentidos en un anillo), la conversión de pares de Cooper en cuasipartículas es una fuente de decoherencia (disipación) del estado cuántico.

Hace más de 50 años se predijo que esta fuente de disipación se suprime si la fase del electrón y del hueco en la cuasipartícula se diferencian en un ángulo de pi. Se publica en Nature la demostración experimental de este efecto, que permite incrementar el tiempo de vida del cubit superconductor en dos órdenes de magnitud. Esta técnica permite reducir al mínimo el efecto de la decoherencia cuántica en sistemas que usan cubits superconductores (tanto en información cuántica como en computación cuántica). El artículo técnico es Ioan M. Pop et al., “Coherent suppression of electromagnetic dissipation due to superconducting quasiparticles,” Nature 508: 369–372, 17 Apr 2014.

Una unión Josephson son dos superconductores separados por un medio aislante o un metal no superconductor de pocos nanómetros. Los pares de Cooper y las cuasipartículas de Bogoliubov pueden atravesar esta barrera por efecto túnel cuántico. Este fenómeno da lugar al efecto Josephson y tiene cuatro contribuciones separadas: (1) la corriente debida a los pares de Cooper, (2) la debida a las cuasipartículas, (3) un término disipativo independiente de la fase y (4) un término disipativo proporcional al coseno de la diferencia de fase. Los términos (1) y (2) son bien conocidos, el (3) es inevitable, pero el control del (4) no se había demostrado hasta ahora.

El nuevo artículo publicado en Nature ha logrado medir por primera vez este último término de tipo coseno, conocido como interferencia entre pares de cuasipartículas. Lo más interesante es que cuando la diferencia de fase es igual al número pi (180 grados), dicho término se anula. Esto reduce el efecto de la disipación en la unión al valor mínimo posible e incrementa la vida media de los estados coherentes que permiten usar la unión de Josephson como bit cuántico.

En la figura que abre esta entrada se ilustra esquemáticamente el efecto túnel de las cuasipartículas en la unión que da lugar a electrones o a huecos. La fase de la amplitud de probabilidad de este efecto es igual a +φ/2 para electrones y a −φ/2 para huecos. Estas dos posibilidades son indistinguibles, por lo que las amplitudes de probabilidad se suman de forma coherente dando lugar a un término de tipo 1+cos φ en la probabilidad total. Este término se anula cuando φ= π. En dicho caso se elimina una fuente de decoherencia.

Dibujo20140417 experimental setup - superconductor array of junctions - phase-slip and squid - nature

¿Cómo se puede ajustar la fase de forma adecuada? Mediante el acoplo del cubit con una cavidad resonante de microondas, es decir, un sistema interferométrico heterodino; para ello se utiliza una antena adecuada. Según la electrodinámica cuántica, la fase asociada a las cuasipartículas está acoplada y depende del campo electromagnético aplicado. Gracias a ello se puede medir de forma experimental el ángulo φ. Más aún, se puede controlar dicho ángulo. Usando la llamada la regla de oro de Fermi, se puede ajustar el acoplo para lograr un valor de φ próximo a π.

Dibujo20140417 Flux dependence of the fluxonium qubit measured by polarization saturation pulses - nature

El nuevo artículo proclama un incremento en los tiempos de relajación de los cubits superconductores muy por encima de un milisegundo, lo que supone un incremento en unos dos órdenes de magnitud. Como este tipo de cubits son muy utilizados, el nuevo diseño tiene aplicaciones inmediatas en muchos sistemas que procesan información cuántica.

2 Comentarios

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DiegoDiego

¿Esto implica algún avance en la dirección de conseguir un simulador o un ordenador cuántico?
(perdón si mi pregunta es muy trivial)

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