
Een scanning elektronenmicroscoop toont de experimentele opstelling van de groep met een enkele Josephson-junctie. Credit: Pico research group/Aalto University
Fysici van de Aalto-universiteit in Finland hebben, samen met een internationaal team van medewerkers, theoretisch en experimenteel aangetoond dat het coherentieverlies van supergeleidende qubits direct kan worden gemeten als thermische dissipatie in het elektrische circuit waarin de qubit zich bevindt.
Het theoretische werk van de groep werd uitgevoerd in samenwerking met collega’s van de Universiteit van Madrid. Het onderzoek was gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.
De kern van de meest geavanceerde quantumcomputers en ultragevoelige detectoren zijn supergeleidende Josephson-juncties, de basiselementen van qubits, of quantumbits. Zoals de naam al doet vermoeden, zijn deze qubits en hun schakelingen zeer efficiënte geleiders van elektriciteit.
“Ondanks de snelle vooruitgang bij het maken van qubits van hoge kwaliteit, is er nog steeds een belangrijke onopgeloste vraag: hoe en waar vindt thermische dissipatie plaats?”, aldus Bayan Karimi, postdoctoraal onderzoeker in de onderzoeksgroep Pico aan de Aalto-universiteit en hoofdauteur van de studie.
“We hebben al geruime tijd methoden ontwikkeld om dit verlies te meten, op basis van de expertise van onze groep op het gebied van kwantumthermodynamica”, voegt Jukka Pekola toe, hoogleraar aan de Aalto-universiteit en hoofd van de Pico-onderzoeksgroep.
Terwijl natuurkundigen blijven pushen voor steeds efficiëntere qubits in de race om de technologie rondom quantumapparaten te verfijnen, stellen deze nieuwe gegevens onderzoekers in staat om beter te begrijpen hoe hun qubits vervallen. In termen van quantumcomputing maken qubits met langere coherentietijden meer bewerkingen mogelijk, wat leidt tot complexere berekeningen die niet haalbaar zijn in klassieke computeromgevingen.

Credit: Natuur Nanotechnologie (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01770-7, https://www.nature.com/articles/s41565-024-01770-7
Warmte in de lucht
De transmissie van superstromen wordt mogelijk gemaakt door het Josephson-effect, waarbij twee dicht bij elkaar gelegen supergeleidende materialen een stroom kunnen ondersteunen zonder aangelegde spanning. Als resultaat van de studie kan eerder niet-toegewezen energieverlies worden herleid tot thermische straling die afkomstig is van de qubits en zich voortplant via de leads.
Denk aan een kampvuur dat iemand op het strand opwarmt: de omgevingslucht blijft koud, maar de persoon voelt nog steeds de warmte die van het vuur afstraalt. Karimi zegt dat ditzelfde type straling leidt tot dissipatie in de qubit.
Dit verlies is eerder opgemerkt door natuurkundigen die experimenten hebben uitgevoerd op grote arrays van honderden Josephson-juncties die in een circuit zijn geplaatst. Net als bij een spelletje telefoon, lijkt een van deze junctions de rest verderop te destabiliseren.
Oorspronkelijk formuleerden Karimi, Pekola en het team hun experimenten met deze vele knooppunten in een array, maar ze begonnen terug te gaan naar steeds eenvoudigere experimenten. Hun laatste experimentele opstelling: het observeren van de effecten van het aanpassen van de spanning bij een enkele Josephson-overgang.
Door een uiterst gevoelige thermische absorber naast deze verbinding te plaatsen, konden ze de zeer zwakke straling die door deze verbinding werd uitgezonden bij elke faseovergang passief meten in een breed frequentiebereik tot 100 gigahertz.
Het werk werd gedaan in samenwerking met de InstituteQ Chair of Excellence professor Charles Marcus van de University of Washington, in de VS, en Niels Bohr Institute in Kopenhagen, Denemarken. De fabricage van de apparaten die in de experimenten werden gebruikt, maakte gebruik van de cleanrooms van OtaNano, Finlands nationale onderzoeksinfrastructuur voor micro- en nanotechnologieën.
Meer informatie:
Karimi, B. et al. Bolometrische detectie van Josephson-straling, Natuur Nanotechnologie (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01770-7, www.nature.com/articles/s41565-024-01770-7
Informatie over het tijdschrift:
Natuur Nanotechnologie
Aangeboden door Aalto Universiteit