I circuiti a microonde quantistici superconduttori possono funzionare come qubit, gli elementi costitutivi di un futuro computer quantistico. Un componente critico di questi circuiti, l'incrocio Josephson, è tipicamente realizzato con ossido di alluminio. I ricercatori del dipartimento di nanoscienze quantistiche della Delft University of Technology hanno ora incorporato con successo una giunzione Josephson di grafene in un circuito a microonde superconduttore. Il loro lavoro fornisce nuove informazioni sull'interazione tra superconduttività e grafene e sulle sue possibilità come materiale per le tecnologie quantistiche.

L'elemento costitutivo essenziale di un computer quantistico è il bit quantistico, o qubit. A differenza dei bit normali, che può essere uno o zero, i qubit possono essere uno, zero o una sovrapposizione di entrambi questi stati. Quest'ultima possibilità, che i bit possono trovarsi in una sovrapposizione di due stati contemporaneamente, consente ai computer quantistici di funzionare in modi non possibili con i computer classici. Le implicazioni sono profonde:i computer quantistici saranno in grado di risolvere problemi la cui risoluzione richiederà un computer normale più lungo dell'età dell'universo.

Esistono molti modi per creare qubit. Uno dei metodi collaudati consiste nell'utilizzare circuiti a microonde superconduttori. Questi circuiti possono essere progettati in modo tale da comportarsi come oscillatori armonici  "Se mettiamo una carica su un lato, passerà attraverso l'induttore e oscillerà avanti e indietro, "ha detto il professor Gary Steele. "Facciamo i nostri qubit fuori dai diversi stati di questa carica che rimbalza avanti e indietro."

Un elemento essenziale dei circuiti quantistici a microonde è la cosiddetta giunzione Josephson, quale può, Per esempio, sono costituiti da un materiale non superconduttore che separa due strati di materiale superconduttore. Coppie di elettroni superconduttori possono passare attraverso questa barriera, da un superconduttore all'altro, risultando in una supercorrente che può fluire indefinitamente a lungo senza alcuna tensione applicata.

Nelle giunzioni Josephson all'avanguardia per circuiti quantistici, l'anello debole è un sottile strato di ossido di alluminio che separa due elettrodi di alluminio. "Però, questi possono essere sintonizzati solo con l'uso di un campo magnetico, potenzialmente portando a diafonia e riscaldamento su chip, che possono complicare il loro utilizzo in applicazioni future, " ha affermato Steele. Il grafene offre una possibile soluzione. Ha dimostrato di ospitare robuste supercorrenti su distanze di micron che sopravvivono in campi magnetici fino a pochi Tesla. Tuttavia, questi dispositivi erano stati finora limitati alle applicazioni in corrente continua (DC). Applicazioni in circuiti a microonde, come qubit o amplificatori parametrici, non era stato esplorato.

Il team di ricerca della Delft University of Technology ha incorporato una giunzione Josephson di grafene in un circuito a microonde superconduttore. Caratterizzando il loro dispositivo nel regime DC, hanno dimostrato che la loro giunzione Josephson al grafene mostra una supercorrente balistica che può essere regolata mediante l'uso di una tensione di gate, che impedisce al dispositivo di riscaldarsi. Dopo aver eccitato il circuito con radiazioni a microonde, i ricercatori hanno osservato direttamente l'induttanza Josephson della giunzione, che fino a quel momento non era stato direttamente accessibile nei dispositivi superconduttori al grafene.

I ricercatori ritengono che le giunzioni Josephson del grafene abbiano il potenziale per svolgere un ruolo importante nei futuri computer quantistici. "Resta da vedere se possono essere trasformati in qubit vitali, però, " ha detto Steele. Mentre le giunzioni di grafene erano abbastanza buone per costruire qubit, non erano coerenti come i tradizionali circuiti quantistici a microonde basati su giunzioni di ossido di alluminio, quindi è necessario un ulteriore sviluppo della tecnologia. Però, in applicazioni che non richiedono un'elevata coerenza, la sintonizzazione del gate potrebbe essere utile ora. Una di queste applicazioni è negli amplificatori, che sono importanti anche nell'infrastruttura quantistica. Steele:"Siamo piuttosto entusiasti di utilizzare questi dispositivi per applicazioni di amplificatori quantistici".

Gli autori hanno reso disponibili tutti i dati pubblicati nel manoscritto in un repository aperto, compreso il percorso fino ai dati misurati dallo strumento. Inoltre, i ricercatori hanno rilasciato tutto il software utilizzato per misurare i dati, analizzare i dati, e realizzare le trame nelle figure sotto una licenza open-source.

I risultati dello studio sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .