Persamaan dasar untuk superkonduktivitas

Artikel ini telah ditinjau sesuai dengan proses dan kebijakan editorial Science X. Para editor telah menekankan atribut berikut sambil memastikan kredibilitas konten:

fakta diverifikasi

sumber terpercaya

membenarkan

OKE! Pengaturan gelombang mikro kriogenik yang digunakan untuk mengukur perangkat kuantum. Kredit: Qinu GmbH, qinu.de

× tutup

Pengaturan gelombang mikro kriogenik yang digunakan untuk mengukur perangkat kuantum. Kredit: Qinu GmbH, qinu.de

Fisikawan dari Forschungszentrum Jülich dan Institut Teknologi Karlsruhe telah mengungkapkan bahwa persimpangan terowongan Josephson – bahan dasar komputer kuantum superkonduktor – lebih kompleks dari yang diperkirakan sebelumnya.

Seperti nada tambahan pada alat musik, harmonik ditumpangkan pada mode fundamental. Hasilnya, koreksi tersebut dapat menghasilkan bit kuantum yang dua hingga tujuh kali lebih stabil. Para peneliti mendukung temuan mereka dengan bukti eksperimental dari berbagai laboratorium di seluruh dunia, termasuk Universitas Cologne, Ecole Normale Supérieure di Paris dan IBM Quantum di New York.

Semuanya dimulai pada tahun 2019 ketika Dr. Dennis Willsch dan Dennis Rieger – dua Ph.D. siswa dari FZJ dan KIT pada saat itu dan salah satu penulis pertama makalah baru yang diterbitkan di Nature Physics – mengalami kesulitan memahami eksperimen mereka menggunakan model standar untuk persimpangan terowongan Josephson. Model ini memenangkan Brian Josephson Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1973.

Bersemangat untuk mengungkapnya, tim yang dipimpin oleh Profesor Ioan Pope memeriksa data tambahan dari Ecole Normale Supérieure di Paris dan perangkat 27-qubit di IBM Quantum di New York, serta data dari eksperimen yang diterbitkan sebelumnya. Secara independen, peneliti dari Universitas Cologne mengamati penyimpangan serupa pada data mereka dari model standar.

“Untungnya, Gianluigi Catelani, yang berpartisipasi dalam kedua proyek dan melaksanakan proyek yang tumpang tindih, menyatukan tim peneliti,” kenang Dr. Dennis Willsch dari FZ Jülich. “Waktunya tepat sekali,” tambah Dr. Chris Dickel dari Universitas Cologne, “karena pada saat itu kami sedang menyelidiki implikasi yang sangat berbeda dari masalah dasar yang sama.”

Persimpangan terowongan Josephson terdiri dari dua superkonduktor dengan penghalang isolasi tipis di antara keduanya, dan selama beberapa dekade elemen rangkaian ini telah dijelaskan menggunakan model sinusoidal sederhana (lihat gambar di bawah).

Bawah: Dengan menarik rangkaian superkonduktor (kuning/biru) dengan sinyal gelombang mikro (panah puntir merah), peneliti dapat menganalisis persamaan fundamental yang menggambarkan persimpangan terowongan Josephson pada rangkaian tersebut. Kanan: Para peneliti mengamati penyimpangan yang signifikan (kurva merah) dari model standar sinusoidal (kurva hijau). Bagian kiri: Skema close-up persimpangan terowongan yang terdiri dari dua superkonduktor (kuning/biru) dengan penghalang isolasi tipis di antara keduanya. Saluran penghantar besar (loop merah) mungkin bertanggung jawab atas penyimpangan yang diamati dari model standar. Kredit: Dennis Rieger/Patrick Winkel, KIT

× tutup

Namun, seperti yang ditunjukkan oleh para peneliti, “model standar” ini tidak dapat sepenuhnya menggambarkan persimpangan Josephson yang digunakan untuk membuat bit kuantum. Sebaliknya, model yang diperluas termasuk harmonik yang lebih tinggi diperlukan untuk menggambarkan arus terowongan antara dua superkonduktor. Prinsip tersebut juga dapat ditemukan dalam bidang musik. Ketika senar instrumen dipukul, frekuensi dasar ditutupi oleh beberapa nada tambahan harmonis.

“Sangat menarik bahwa pengukuran yang dilakukan oleh masyarakat telah mencapai tingkat presisi sehingga kita dapat menyelesaikan koreksi kecil ini menjadi model yang dianggap memadai selama lebih dari 15 tahun,” kata Dennis Rieger.

Ketika empat profesor koordinator – Ioan Pop dari KIT dan Gianluigi Catelani, Kristel Michielsen dan David DiVincenzo dari FZJ – menyadari dampak dari temuan ini, mereka mengumpulkan kolaborasi besar para eksperimentalis, ahli teori, dan ilmuwan material untuk menggabungkan upaya mereka dalam menyajikan sebuah penelitian yang menarik. kasus untuk Model Harmonik Josephson.

Dalam Fisika Alam, peneliti mengeksplorasi asal usul dan implikasi harmonik Josephson. “Sebagai konsekuensi langsungnya, kami percaya bahwa harmonik Josephson akan membantu konstruksi bit kuantum yang lebih baik dan lebih andal dengan mengurangi kesalahan hingga tingkat tertentu, membawa kita selangkah lebih dekat ke impian komputer kuantum superkonduktor yang sepenuhnya universal,” dua penulis pertama menyimpulkan.

Informasi lebih lanjut:
Dennis Willsch dkk., Pengamatan harmonik Josephson di persimpangan terowongan, Fisika Alam (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02400-8