I fisici del Forschungszentrum Jülich e del Karlsruhe Institute of Technology hanno scoperto che le giunzioni tunnel Josephson, gli elementi fondamentali dei computer quantistici superconduttori, sono più complesse di quanto si pensasse in precedenza.
Proprio come gli armonici in uno strumento musicale, gli armonici si sovrappongono al modo fondamentale. Di conseguenza, le correzioni possono portare a bit quantistici da due a sette volte più stabili. I ricercatori supportano le loro scoperte con prove sperimentali provenienti da diversi laboratori in tutto il mondo, tra cui l'Università di Colonia, l'Ecole Normale Supérieure di Parigi e IBM Quantum di New York.
Tutto è iniziato nel 2019, quando il dottor Dennis Willsch e Dennis Rieger, due dottorandi. studenti dell'epoca della FZJ e del KIT e primi coautori di un nuovo articolo pubblicato su Nature Physics - avevano difficoltà a comprendere i loro esperimenti utilizzando il modello standard per le giunzioni dei tunnel Josephson. Questo modello valse a Brian Josephson il Premio Nobel per la fisica nel 1973.
Entusiasta di andare a fondo di questo problema, il team guidato dal professor Ioan Pop ha esaminato ulteriori dati dell’Ecole Normale Supérieure di Parigi e di un dispositivo da 27 qubit presso IBM Quantum di New York, nonché dati di esperimenti precedentemente pubblicati. Indipendentemente, i ricercatori dell'Università di Colonia hanno osservato deviazioni simili dei loro dati dal modello standard.
"Fortunatamente Gianluigi Catelani, che è stato coinvolto in entrambi i progetti e si è accorto della sovrapposizione, ha riunito i gruppi di ricerca", ricorda il Dr. Dennis Willsch della FZ Jülich. "Il tempismo era perfetto", aggiunge il dottor Chris Dickel dell'Università di Colonia, "poiché all'epoca stavamo esplorando conseguenze abbastanza diverse dello stesso problema di fondo."
Le giunzioni tunnel Josephson sono costituite da due superconduttori con una sottile barriera isolante in mezzo e, per decenni, questi elementi circuitali sono stati descritti con un semplice modello sinusoidale (vedi immagine sotto).
Tuttavia, come dimostrano i ricercatori, questo “modello standard” non riesce a descrivere completamente le giunzioni Josephson utilizzate per costruire bit quantistici. Invece, per descrivere la corrente di tunneling tra i due superconduttori è necessario un modello esteso che includa armoniche più elevate. Il principio si ritrova anche nel campo della musica. Quando viene colpita la corda di uno strumento, alla frequenza fondamentale si sovrappongono diversi toni armonici.
"È entusiasmante che le misurazioni nella comunità abbiano raggiunto il livello di precisione con cui possiamo risolvere queste piccole correzioni in un modello considerato sufficiente per più di 15 anni", osserva Dennis Rieger.
Quando i quattro professori coordinatori – Ioan Pop del KIT e Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen e David DiVincenzo della FZJ – si sono resi conto dell’impatto dei risultati, hanno riunito un’ampia collaborazione di sperimentali, teorici e scienziati dei materiali, per unire i loro sforzi nel presentare un caso convincente per il modello delle armoniche Josephson.
Nella Fisica della Natura pubblicazione, i ricercatori esplorano l'origine e le conseguenze delle armoniche Josephson. "Come conseguenza immediata, crediamo che le armoniche Josephson aiuteranno a progettare bit quantistici migliori e più affidabili riducendo gli errori fino a un ordine di grandezza, il che ci avvicina di un passo al sogno di un computer quantistico superconduttore completamente universale", ha affermato il ricercatore. concludono due primi autori.
Ulteriori informazioni: Dennis Willsch et al, Osservazione delle armoniche Josephson nelle giunzioni dei tunnel, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02400-8
Fornito dal Karlsruhe Institute of Technology
