Físicos do Forschungszentrum Jülich e do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe descobriram que as junções dos túneis Josephson – os blocos de construção fundamentais dos computadores quânticos supercondutores – são mais complexas do que se pensava anteriormente.



Assim como os tons harmônicos de um instrumento musical, os harmônicos são sobrepostos ao modo fundamental. Como consequência, as correções podem levar a bits quânticos que são duas a sete vezes mais estáveis. Os investigadores apoiam as suas descobertas com evidências experimentais de vários laboratórios em todo o mundo, incluindo a Universidade de Colónia, a Ecole Normale Supérieure em Paris e o IBM Quantum em Nova Iorque.

Tudo começou em 2019, quando o Dr. Dennis Willsch e Dennis Rieger – dois Ph.D. estudantes da FZJ e KIT na época e co-autores de um novo artigo publicado na Nature Physics —estavam tendo dificuldades para entender seus experimentos usando o modelo padrão para junções de túneis Josephson. Este modelo rendeu a Brian Josephson o Prêmio Nobel de Física em 1973.

Entusiasmada por chegar ao fundo desta questão, a equipa liderada pelo professor Ioan Pop examinou mais dados da Ecole Normale Supérieure em Paris e um dispositivo de 27 qubit da IBM Quantum em Nova Iorque, bem como dados de experiências publicadas anteriormente. De forma independente, investigadores da Universidade de Colónia observaram desvios semelhantes dos seus dados em relação ao modelo padrão.

“Felizmente, Gianluigi Catelani, que esteve envolvido em ambos os projetos e percebeu a sobreposição, reuniu as equipes de pesquisa”, lembra o Dr. Dennis Willsch da FZ Jülich. “O momento foi perfeito”, acrescenta o Dr. Chris Dickel, da Universidade de Colônia, “já que, naquela época, estávamos explorando consequências bastante diferentes do mesmo problema subjacente”.

As junções do túnel Josephson consistem em dois supercondutores com uma fina barreira isolante entre eles e, durante décadas, esses elementos do circuito foram descritos com um modelo sinusoidal simples (veja a imagem abaixo).

No entanto, como demonstram os investigadores, este “modelo padrão” não consegue descrever completamente as junções Josephson que são usadas para construir bits quânticos. Em vez disso, é necessário um modelo estendido incluindo harmônicos mais elevados para descrever a corrente de tunelamento entre os dois supercondutores. O princípio também pode ser encontrado no campo da música. Quando a corda de um instrumento é tocada, a frequência fundamental é sobreposta por vários tons harmônicos.

“É emocionante que as medições na comunidade tenham atingido o nível de precisão com que podemos resolver estas pequenas correções num modelo que tem sido considerado suficiente há mais de 15 anos”, observa Dennis Rieger.

Quando os quatro professores coordenadores – Ioan Pop do KIT e Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen e David DiVincenzo da FZJ – perceberam o impacto das descobertas, eles reuniram a grande colaboração de experimentalistas, teóricos e cientistas de materiais, para unirem seus esforços na apresentação um caso convincente para o modelo harmônico de Josephson.

Na Física da Natureza publicação, os pesquisadores exploram a origem e as consequências dos harmônicos de Josephson. “Como consequência imediata, acreditamos que os harmônicos Josephson ajudarão na engenharia de bits quânticos melhores e mais confiáveis, reduzindo erros em uma ordem de grandeza, o que nos aproxima um passo do sonho de um computador quântico supercondutor totalmente universal”, disse o pesquisador. dois primeiros autores concluem.

Mais informações: Dennis Willsch et al, Observação de harmônicos de Josephson em junções de túneis, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02400-8
Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Karlsruhe