用于量子器件測量的低溫微波裝置。圖片來源：Qinu GmbH，qinu.de

來自Forschungszentrum Jülich和卡爾斯魯厄理工學院的物理學家發現，約瑟夫森隧道結 - 超導量子計算機的基本組成部分 - 比以前認為的要復雜得多。

就像樂器中的泛音一樣，諧波疊加在基波模式上。因此，校正可能會導致量子比特的穩定性提高兩到七倍。研究人員用來自全球多個實驗室的實驗證據來支持他們的發現，包括科隆大學、巴黎高等師范學院和紐約的IBM Quantum。

這一切都始于 2019 年，當時 Dennis Willsch 博士和 Dennis Rieger（當時來自 FZJ 和 KIT 的兩名博士生，也是發表在《自然物理學》上的一篇新論文的共同第一作者）很難理解他們使用約瑟夫森隧道交匯點的標準模型進行的實驗。這個模型為布萊恩·約瑟夫森贏得了1973年的諾貝爾物理學獎。

由Ioan Pop教授領導的團隊興奮地發現了這一點，他們仔細研究了巴黎高等師范學院和紐約IBM Quantum的27量子比特設備以及先前發表的實驗數據。科隆大學的研究人員獨立地觀察到他們的數據與標準模型的類似偏差。

“幸運的是，Gianluigi Catelani參與了這兩個項目并意識到了重疊，他將研究團隊聚集在一起，”FZ Jülich的Dennis Willsch博士回憶道。“時機非常完美，”科隆大學的Chris Dickel博士補充道，“因為當時，我們正在探索同一潛在問題的完全不同的后果。

約瑟夫森隧道結由兩個超導體組成，中間有一個薄的絕緣勢壘，幾十年來，這些電路元件一直用簡單的正弦模型來描述（見下圖）。

底部：通過用微波信號激發超導電路（黃色/藍色）（紅色擺動箭頭），研究人員可以分析描述電路約瑟夫森隧道結的基本方程。右圖：研究觀察到與正弦標準模型（綠色曲線）存在顯著偏差（紅色曲線）。左圖：由兩個超導體（黃色/藍色）組成的隧道結的放大示意圖，中間有一個薄的絕緣屏障。大的導通通道（紅色環路）可能是觀察到的與標準模型的偏差的原因。圖片來源：Dennis Rieger/Patrick Winkel，KIT

然而，正如研究人員所證明的那樣，這個“標準模型”無法完全描述用于構建量子比特的約瑟夫森結。相反，需要一個包含高次諧波的擴展模型來描述兩個超導體之間的隧穿電流。該原理也可以在音樂領域找到。當樂器的琴弦被敲擊時，基頻被幾個諧波泛音覆蓋。

Dennis Rieger評論說：“令人興奮的是，社區中的測量已經達到了精確的水平，我們可以將這些小的修正解析為一個被認為已經足夠超過15年的模型。

當四位協調教授——來自KIT的Ioan Pop和來自FZJ的Gianluigi Catelani、Kristel Michielsen和David DiVincenzo——意識到這些發現的影響時，他們匯集了實驗家、理論家和材料科學家的大量合作，共同為約瑟夫森諧波模型提出了一個令人信服的案例。

在《自然物理學》的出版物中，研究人員探索了約瑟夫森諧波的起源和后果。“作為直接后果，我們相信約瑟夫森諧波將通過將誤差減少到一個數量級來幫助設計更好、更可靠的量子比特，這使我們離完全通用的超導量子計算機的夢想更近了一步，”兩位第一作者總結道。

更多信息：Dennis Willsch 等人，隧道結中約瑟夫森諧波的觀察，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02400-8