La tecnologia quantistica potrebbe superare i computer convenzionali in alcune attività avanzate di ottimizzazione e calcolo. Negli ultimi anni, i fisici hanno lavorato per identificare nuove strategie per creare sistemi quantistici e qubit promettenti (ovvero unità di informazione di base nei computer quantistici).
I ricercatori dell’Istituto per i Sistemi Complessi del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), dell’Istituto Max Planck per la Fisica Chimica dei Solidi e di altri istituti in tutto il mondo hanno recentemente introdotto un nuovo qubit superconduttore e shunt capacitivo, che hanno soprannominato “flowermon”. Questo qubit, introdotto in Physical Review Letters , si basa su eterostrutture twistate di cuprato van der Waals.
"Il progetto è nato per una bella occasione, durante un tentativo di combinare i linguaggi delle nostre diverse competenze in una conversazione", ha detto a Phys.org Uri Vool, coautore dell'articolo. "La motivazione iniziale è stata il recente lavoro del nostro collaboratore Nicola Poccia, che è stato in grado di ottenere una 'eterostruttura di van der Waals contorta' in cui è possibile controllare l'angolo tra i singoli strati nel nuovo superconduttore cuprato BSCCO senza rovinare le sue proprietà uniche.
"Nicola Poccia ha chiesto a me e a Valentina Brosco se questo potesse essere utilizzato in qualche modo come qubit o dispositivo per la tecnologia quantistica. Inizialmente ero abbastanza scettico, ma questo ha portato ad alcune sessioni di brainstorming tra me e Valentina che alla fine sono confluite nell'idea presentata in il nostro giornale."
La maggior parte degli esperimenti volti a creare circuiti superconduttori quantistici hanno impiegato materiali superconduttori convenzionali e ampiamente studiati, come l'alluminio o il niobio. Intorno al 2000, tuttavia, alcuni fisici teorici esplorarono l'idea di introdurre circuiti superconduttori protetti dal rumore che sfruttassero la simmetria unica dei superconduttori non convenzionali.
Poiché all’epoca la realizzazione di questa idea in contesti sperimentali sembrava irrealizzabile, questi lavori teorici furono abbandonati per diversi anni. Il recente studio di Vool, Poccia, Brosco e dei loro colleghi ripropone questa idea per creare un nuovo qubit superconduttore.
"Con lo sviluppo dei circuiti superconduttori, ci sono state diverse proposte per creare circuiti con protezione dal rumore progettando gli elementi del circuito in modo da raggiungere una simmetria", ha detto Vool. "Queste idee sono molto interessanti, ma l'implementazione sperimentale è sempre stata impegnativa poiché le imperfezioni, ad esempio, nell'induttanza relativa degli elementi del circuito o nel flusso applicato nel circuito che formano, hanno rotto la simmetria e degradato le loro prestazioni.
"Nel flowermon, abbiamo notato che un semplice circuito che utilizza un'eterostruttura cuprata di van der Waals ritorta fornisce anche questa protezione, che deriva dalla simmetria del materiale stesso e non dal posizionamento del circuito."
La struttura e le proprietà uniche del flowermon, il qubit introdotto da questo gruppo di ricerca, possono migliorare notevolmente la robustezza di un circuito superconduttore, poiché elimina la necessità di sintonizzazione o flusso. Basandosi su precedenti sforzi di ricerca incentrati sui circuiti protetti, Vool e i suoi colleghi hanno dimostrato il potenziale dei materiali con una simmetria intrinseca per la creazione di sistemi superconduttori quantistici.
"Il nostro lavoro dimostra che l'utilizzo di materiali con simmetria intrinseca rispetto alla simmetria ingegnerizzata produce un qubit robusto che non richiede messa a punto", ha spiegato Vool. "flowermon modernizza la vecchia idea di utilizzare superconduttori non convenzionali per circuiti quantistici protetti e la combina con nuove tecniche di fabbricazione e una nuova comprensione della coerenza dei circuiti superconduttori."
Il nuovo qubit introdotto dai ricercatori è essenzialmente costituito da una singola giunzione BSCCO van der Waals Josephson. Questa giunzione ha un angolo di torsione di circa 45°, deviata da un grande condensatore e da un risonatore superconduttore di lettura.
"Nonostante la sua semplicità, l'esclusiva natura contorta dell'onda D del parametro d'ordine consente al flowermon di codificare le informazioni in autostati che preservano la parità", ha affermato Valentina Brosco, coautrice dell'articolo. "Idealmente, questo porta un miglioramento di ordini di grandezza nel tempo di rilassamento rispetto al noto transmon. Inoltre, il controllo sull'angolo di torsione dimostrato nell'esperimento, suggerisce che, contrariamente a quanto accade nelle giunzioni standard dell'onda D, nel flowermon la dissipazione indotta dalle quasi-particelle viene soppressa in modo esponenziale."
Il design semplice del Flowermon sfrutta le caratteristiche complesse e peculiari del tunneling Josephson tra due sottili scaglie di BSCCO con un relativo angolo di torsione.
Un ulteriore vantaggio del nuovo qubit è la sua struttura spettrale distintiva, che consente la manipolazione dell'elettrodinamica quantistica dei circuiti (cQED) e degli schemi di lettura.
"Penso che Flowermon fornisca un'eccellente illustrazione delle funzionalità emergenti ottenibili attraverso l'integrazione di materiali complessi ed eterostrutture in dispositivi quantistici, in particolare nel regno dei circuiti superconduttori", ha affermato Brosco. "Ciò che ho trovato estremamente interessante e affascinante è che la forza del circuito Flowermon è incorporata nella funzione d'onda a molti corpi che porta a una relazione corrente-fase con un termine di tunneling dominante a due coppie di rame."
A differenza di altri qubit protetti da parità realizzati attraverso una complessa ingegneria di circuiti, il flowermon si basa su meccanismi fisici naturali. La robustezza segnalata di questo design unico potrebbe ispirare altri fisici a esplorare il potenziale delle eterostrutture cuprate di van der Waals contorte per la creazione di circuiti superconduttori.
"L'idea alla base del Flowermon può essere estesa in diverse direzioni:ricerca di diversi superconduttori o giunzioni che producono effetti simili, esplorando la possibilità di realizzare nuovi dispositivi quantistici basati sul Flowermon", ha detto Brosco. "Questi dispositivi combinerebbero i vantaggi dei materiali quantistici e dei circuiti quantistici coerenti o utilizzerebbero il Flowermon o progetti correlati per studiare la fisica delle complesse eterostrutture superconduttrici."
Vool, Brosco e i loro collaboratori intendono ora condurre ulteriori studi teorici e sperimentali. Nel loro lavoro teorico intendono affrontare vari aspetti del circuito che hanno introdotto.
In particolare, il circuito Flowermon apre una nuova possibile strada per ampliare la comprensione dei superconduttori non convenzionali utilizzando circuiti quantistici. Ciò è molto rilevante, poiché le proprietà di questi materiali rimangono uno dei più grandi misteri della fisica della materia condensata.
"Questo è solo il primo semplice esempio concreto di utilizzo delle proprietà intrinseche di un materiale per realizzare un nuovo dispositivo quantistico, e speriamo di basarci su di esso e di trovare ulteriori esempi, stabilendo infine un campo di ricerca che combini la fisica dei materiali complessi con i dispositivi quantistici. ," ha aggiunto Vool.
"Sperimentalmente, c'è ancora molto lavoro per implementare questa proposta. Attualmente stiamo fabbricando e misurando circuiti superconduttori ibridi che integrano questi superconduttori di van der Waals e speriamo di utilizzare questi circuiti per comprendere meglio il materiale ed eventualmente progettare e misurare circuiti superconduttori ibridi protetti per trasformarli in dispositivi realmente utili."
Ulteriori informazioni: Valentina Brosco et al, Qubit superconduttore basato su eterostrutture twistate di cuprato Van der Waals, lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.017003. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.00839
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica , arXiv
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