In den letzten Jahren haben Quantenphysiker und Ingenieure erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung hochleistungsfähiger Quantencomputersysteme gemacht. Um einen Quantenvorteil gegenüber klassischen Computersystemen zu realisieren und den stabilen Betrieb von Quantengeräten zu ermöglichen, müssen jedoch neue Bausteine für diese Geräte und andere Aspekte entwickelt werden, die ihrer korrekten Funktion zugrunde liegen.
Forscher der Université Grenoble Alpes haben kürzlich die direkte Messung eines subtilen Effekts, nämlich einer sin (2𝜑)-Stromphasenbeziehung, in einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät auf Graphenbasis demonstriert, das auf durch Gate-abstimmbaren Graphen-Josephson-Übergängen basiert. Ihre Methode zur Erfassung dieser Messung wird in einem Artikel beschrieben veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungkönnte zur Entwicklung stabilerer supraleitender Qubits beitragen, die weniger anfällig für Dekohärenz sind.
Josephson-Kontakte, die Komponenten, auf denen das Gerät des Teams basierte, verbinden zwei supraleitende Materialien über eine schwache Verbindung miteinander. In der Quantentechnologie ermöglichen diese Übergänge die Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformationen mit minimalen Verlusten, indem sie den Stromfluss durch Geräte ohne Widerstand ermöglichen, eine spezifische Eigenschaft von Supraleitern unterhalb ihrer Übergangstemperatur.
Im Rahmen ihrer aktuellen Studie wollten die Forscher der Université Grenoble Alpes direkt messen, wie dieser Stromfluss vom Unterschied in der supraleitenden Phase zwischen den beiden Seiten der durch Gate-abstimmbaren Graphen-basierten Josephson-Übergänge in ihrem Gerät abhängt. Diese Messung ist von zentraler Bedeutung, da sie zur Entwicklung supraleitender Quantenschaltkreise mit sorgfältig maßgeschneiderten Eigenschaften genutzt werden kann.
„Als wir uns die vorhandene Literatur ansahen, stellten wir fest, dass die Community zwar in den letzten Jahren ein wachsendes Interesse an sin(2𝜑)-Stromphasenbeziehungen in supraleitenden Schaltkreisen gezeigt hat, es jedoch keine direkte Messung einer solchen Beziehung in derzeit verwendeten Geräten gab“, Julien Renard, Der leitende Autor des Artikels sagte gegenüber Phys.org. „Wir haben beschlossen, ein Experiment zu entwerfen, das diese Messung ermöglichen und eine direkte Visualisierung dieser aktuellen Phasenbeziehung ermöglichen würde.“
In ihrem Experiment haben Renard und seine Kollegen die Spannungen in einem von ihnen entwickelten supraleitenden Graphen-Quanteninterferenzgerät als Funktion extern gesteuerter Parameter, wie beispielsweise eines Magnetfelds, gemessen. Ihr Aufbau beruhte auf einer fortschrittlichen Methode zur gleichzeitigen Steuerung und Ablesung der aktuellen Phasenbeziehung eines Paares von Josephson-Kontakten in ihrem Gerät.
„Das Magnetfeld ermöglicht es [us] „Um die Phase im supraleitenden Interferenzgerät zu variieren“, erklärt Renard. „Die gemessenen Signale ermöglichen es hingegen, den Strom zu extrahieren.“ So können wir direkt die aktuelle Phasenlage des Gerätes messen.“
Die von diesem Forschungsteam gesammelten direkten Messungen zeigten, dass sich ihr Gerät wie ein sin(2𝜑)-Element verhalten kann. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass der durch ihr Gerät fließende Strom einem bestimmten Muster folgt, dargestellt durch sin(2𝜑), das nicht durch das einfachere sin(𝜑)-Muster beeinflusst wird, das den Stromfluss durch konventionellere Josephson-Kontakte charakterisiert.
Die von Renard und seinen Kollegen verwendeten experimentellen Methoden und die ausgeprägte aktuelle Phasenbeziehung, die sie in ihrem Gerät beobachteten, könnten bald zur Weiterentwicklung der Quantencomputertechnologien beitragen. In ihren nächsten Studien wollen die Forscher auf ihrer jüngsten Arbeit aufbauen und neue Quantenbits entwickeln, die vor Dekohärenz geschützt sind.
„Wir haben gezeigt, dass wir durch die Kombination von zwei Graphen-Josephson-Kontakten in einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät dank der Kontrolle der Interferenzeffekte zwischen Cooper-Paaren mit einem Magnetfeld eine sin(2𝜑)-Stromphasenbeziehung erhalten können“, sagte Renard. „Ein solches supraleitendes Quanteninterferenzgerät aus Graphen könnte der Baustein einer zukünftigen Generation von Quantenbits sein, die vor Dekohärenz geschützt sind. Wir werden nun daran arbeiten, die geeignete Schaltungsgeometrie für den Bau eines solchen Quantenbits zu finden.“
Weitere Informationen:
Direkte Messung einer sin(2𝜑)-Stromphasenbeziehung in einem supraleitenden Graphen-Quanteninterferenzgerät. Briefe zur körperlichen Untersuchung(2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.106001. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2405.13642
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