En la computación cuántica , más específicamente en la computación cuántica superconductora , los qubits de flujo (también conocidos como qubits de corriente persistente ) son bucles de metal superconductor de tamaño micrométrico que están interrumpidos por una serie de uniones Josephson . Estos dispositivos funcionan como bits cuánticos . El qubit de flujo fue propuesto por primera vez por Terry P. Orlando et al. en el MIT en 1999 y fabricado poco después. [1] Durante la fabricación, los parámetros de la unión Josephson están diseñados para que una corriente persistente fluya continuamente cuando se aplica un flujo magnético externo. Solo se permite que un número entero de cuantos de flujo penetren en el anillo superconductor, lo que da como resultado supercorrientes mesoscópicas en sentido horario o antihorario (típicamente 300 nA [2] ) en el bucle para compensar (proteger o mejorar) un sesgo de flujo externo no entero. Cuando el flujo aplicado a través del área del bucle está cerca de un número medio entero de cuantos de flujo, los dos estados propios de menor energía del bucle serán una superposición cuántica de las corrientes en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj. Los dos estados propios de menor energía difieren sólo por la fase cuántica relativa entre los estados de dirección de la corriente que los componen. Los estados propios de mayor energía corresponden a corrientes persistentes ( macroscópicas ) mucho más grandes, que inducen un cuanto de flujo adicional al bucle del qubit, por lo que están bien separados energéticamente de los dos estados propios más bajos. Esta separación, conocida como criterio de "no linealidad de qubit", permite operaciones solo con los dos estados propios más bajos, creando efectivamente un sistema de dos niveles . Por lo general, los dos estados propios más bajos servirán como base computacional para el qubit lógico .
Las operaciones computacionales se realizan pulsando el qubit con radiación de frecuencia de microondas que tiene una energía comparable a la del espacio entre la energía de los dos estados básicos, similar a RF-SQUID . La duración y la intensidad del pulso correctamente seleccionadas pueden colocar el qubit en una superposición cuántica de los dos estados básicos, mientras que los pulsos posteriores pueden manipular la ponderación de probabilidad de que el qubit se mida en cualquiera de los dos estados básicos, realizando así una operación computacional.
Los qubits de flujo se fabrican utilizando técnicas similares a las utilizadas en microelectrónica . Los dispositivos suelen fabricarse con obleas de silicio o zafiro mediante litografía por haz de electrones y procesos de evaporación de película fina metálica. Para crear uniones Josephson , normalmente se utiliza una técnica conocida como evaporación de sombras ; Esto implica evaporar el metal fuente alternativamente en dos ángulos a través de la máscara definida por litografía en la resistencia del haz de electrones. Esto da como resultado dos capas superpuestas del metal superconductor, entre las cuales se deposita una fina capa de aislante (normalmente óxido de aluminio ). [3]
El grupo de la Dra. Shcherbakova informó que utilizaba niobio como contacto para sus qubits de flujo. El niobio se utiliza a menudo como contacto y se deposita empleando una técnica de pulverización catódica y litografía óptica para modelar los contactos. Luego se puede utilizar un haz de argón para reducir la capa de óxido que se forma encima de los contactos. La muestra debe enfriarse durante el proceso de grabado para evitar que los contactos de niobio se fundan. En este punto, las capas de aluminio se pueden depositar sobre las superficies limpias de niobio. A continuación, el aluminio se deposita en dos pasos desde ángulos alternos sobre los contactos de niobio. Se forma una capa de óxido entre las dos capas de aluminio para crear la unión Al/AlO x /Al Josephson. [3] En los qubits de flujo estándar, se diseñarán 3 o 4 uniones Josephson alrededor del bucle.
Se pueden fabricar resonadores para medir la lectura del qubit de flujo mediante técnicas similares. El resonador se puede fabricar mediante litografía por haz de electrones y grabado con iones reactivos CF 4 de películas delgadas de niobio o un metal similar. Luego, el resonador podría acoplarse al qubit de flujo fabricando el qubit de flujo en el extremo del resonador. [4]
El qubit de flujo se distingue de otros tipos conocidos de qubit superconductor, como el qubit de carga o el qubit de fase, por la energía de acoplamiento y la energía de carga de sus uniones. En el régimen de carga qubit, la energía de carga de las uniones domina la energía de acoplamiento. En un qubit Flux la situación se invierte y domina la energía de acoplamiento. Normalmente, para un qubit de flujo, la energía de acoplamiento es de 10 a 100 veces mayor que la energía de carga, lo que permite que los pares de Cooper fluyan continuamente alrededor del bucle, en lugar de hacer túneles discretamente a través de las uniones como un qubit de carga.
Para que un circuito superconductor funcione como un qubit, es necesario que haya un elemento no lineal. Si el circuito tiene un oscilador armónico, como en un circuito LC , los niveles de energía se degeneran. Esto prohíbe la formación de un espacio computacional de dos qubits porque cualquier radiación de microondas que se aplique para manipular el estado fundamental y el primer estado excitado para realizar operaciones de qubits también excitaría los estados de mayor energía. Las uniones de Josephson son el único elemento electrónico que no es lineal ni disipativo a bajas temperaturas [ cita requerida ] . Estos son requisitos para los circuitos integrados cuánticos, lo que hace que la unión Josephson sea esencial en la construcción de qubits de flujo. [5] Comprender la física de la unión Josephson mejorará la comprensión de cómo funcionan los qubits de flujo.
Básicamente, las uniones Josephson constan de dos piezas de película delgada superconductora que están separadas por una capa de aislante. En el caso de los qubits de flujo, las uniones Josephson se fabrican mediante el proceso descrito anteriormente. Las funciones de onda de los componentes superconductores se superponen y esta construcción permite la tunelización de electrones, lo que crea una diferencia de fase entre las funciones de onda a ambos lados de la barrera aislante. [5] Esta diferencia de fase es equivalente a , donde corresponden a las funciones de onda a ambos lados de la barrera del túnel. Para esta diferencia de fases se han establecido las siguientes relaciones de Josephson :
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Aquí está la corriente de Josephson y el cuanto de flujo. Al derivar la ecuación actual y utilizar la sustitución, se obtiene el término de inductancia de Josephson :
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A partir de estas ecuaciones, se puede ver que el término de inductancia de Josephson no es lineal respecto del término coseno en el denominador; Debido a esto, los espacios entre niveles de energía ya no están degenerados, lo que restringe la dinámica del sistema a los dos estados de qubit. Debido a la no linealidad de la unión de Josephson, las operaciones que utilizan microondas se pueden realizar en los dos estados de valores propios de energía más bajos (los dos estados de qubit) sin excitar los estados de energía más alta. Esto se conocía anteriormente como criterio de "no linealidad de qubit". Por tanto, las uniones Josephson son un elemento integral de los qubits de flujo y de los circuitos superconductores en general.
El acoplamiento entre dos o más qubits es esencial para implementar puertas de muchos qubits . Los dos mecanismos de acoplamiento básicos son el acoplamiento inductivo directo y el acoplamiento mediante un resonador de microondas. En el acoplamiento directo, las corrientes circulantes de los qubits se afectan entre sí de forma inductiva: la corriente en el sentido de las agujas del reloj en un qubit induce una corriente en el sentido contrario a las agujas del reloj en el otro. En el formalismo de las Matrices de Pauli , aparece un término σ z σ z en el hamiltoniano , esencial para la implementación controlada de la puerta NOT . [7] El acoplamiento directo podría mejorarse aún más mediante la inductancia cinética , si los bucles del qubit se hacen para compartir un borde, de modo que las corrientes fluyan a través de la misma línea superconductora. Insertar una unión Josephson en esa línea de unión agregará un término de inductancia Josephson y aumentará aún más el acoplamiento. Para implementar un acoplamiento conmutable en el mecanismo de acoplamiento directo, como se requiere para implementar una puerta de duración finita, se puede usar un bucle de acoplamiento intermedio. El flujo magnético de control aplicado al bucle del acoplador activa y desactiva el acoplamiento, como se implementa, por ejemplo, en las máquinas de D-Wave Systems . El segundo método de acoplamiento utiliza un resonador de cavidad de microondas intermedio , comúnmente implementado en una geometría de guía de ondas coplanar . Al ajustar la separación de energía de los qubits para que coincida con la del resonador, las fases de las corrientes del bucle se sincronizan y se implementa un acoplamiento σ x σ x . Sintonizar los qubits dentro y fuera de la resonancia (por ejemplo, modificando su flujo magnético de polarización) controla la duración de la operación de la puerta.
Como todos los bits cuánticos, los qubits de flujo requieren una sonda adecuadamente sensible acoplada a ellos para medir su estado después de haber realizado un cálculo. Estas sondas cuánticas deberían introducir la menor acción inversa posible en el qubit durante la medición. Lo ideal sería desacoplarlos durante el cálculo y luego encenderlos durante un breve periodo de tiempo durante la lectura. Las sondas de lectura para qubits de flujo funcionan interactuando con una de las variables macroscópicas del qubit, como la corriente circulante, el flujo dentro del bucle o la fase macroscópica del superconductor. Esta interacción luego cambia alguna variable de la sonda de lectura que se puede medir usando electrónica convencional de bajo ruido. La sonda de lectura suele ser el aspecto tecnológico que separa la investigación de diferentes grupos universitarios que trabajan en qubits de flujo.
El grupo del profesor Mooij en Delft , Países Bajos, [2] junto con sus colaboradores, ha sido pionero en la tecnología de qubits de flujo y fueron los primeros en concebir, proponer e implementar qubits de flujo tal como se conocen hoy. El esquema de lectura de Delft se basa en un bucle SQUID que está acoplado inductivamente al qubit; el estado del qubit influye en la corriente crítica del SQUID. Luego, la corriente crítica se puede leer utilizando corrientes de medición en rampa a través del SQUID. Recientemente, el grupo ha utilizado la frecuencia plasmática del SQUID como variable de lectura.
El grupo del Dr. Il'ichev en IPHT Jena en Alemania [8] está utilizando técnicas de medición de impedancia basadas en el qubit de flujo que influye en las propiedades resonantes de un circuito de tanque de alta calidad que, al igual que el grupo de Delft, también está acoplado inductivamente al qubit. En este esquema, la susceptibilidad magnética del qubit, que se define por su estado, cambia el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje cuando una pequeña señal de CA pasa al circuito del tanque.
El grupo del profesor Petrashov en Royal Holloway [9] está utilizando una sonda de interferómetro Andreev para leer qubits de flujo. [10] [11] Esta lectura utiliza la influencia de fase de un superconductor en las propiedades de conductancia de un metal normal. Se conecta un trozo de metal normal en cada extremo a cada lado del qubit usando cables superconductores, la fase a través del qubit, que está definida por su estado, se traduce en el metal normal, cuya resistencia luego se lee usando Mediciones de baja resistencia al ruido.
El grupo del Dr. Jerger utiliza resonadores acoplados al qubit de flujo. Cada resonador está dedicado a un solo qubit y todos los resonadores se pueden medir con una única línea de transmisión. El estado del qubit de flujo altera la frecuencia de resonancia del resonador debido a un cambio dispersivo que el resonador capta a partir del acoplamiento con el qubit de flujo. Luego, la línea de transmisión mide la frecuencia de resonancia para cada resonador del circuito. El estado del qubit de flujo se determina entonces mediante el cambio medido en la frecuencia de resonancia. [4]
