Flux qubit

Введение

В квантовых вычислениях, более конкретно в сверхпроводящих квантовых вычислениях, флюс-кубиты (также известные как кубиты постоянного тока) представляют собой микрометровые петли сверхпроводящего металла, которые прерываются рядом стыков Джозефсона. Эти устройства функционируют как квантовые биты. Флюс-кубит был впервые предложен Терри П. Орландо и др. в МТИ в 1999 году и сфабрикован вскоре после этого. Во время изготовления параметры стыковки Джозефсона спроектированы таким образом, чтобы постоянный ток непрерывно протекал при применении внешнего магнитного потока. Только целое число квантов потока может проникать в сверхпроводящее кольцо, в результате чего по часовой стрелке или против часовой стрелки мезоскопические сверхтоки (обычно 300 нА) сообщают группа доктора Щербаковой, используя ниобий в качестве контактов для своих кубитов потока. Ниобий часто используется в качестве контакта и откладывается с помощью технологии распыления и использования оптической литографии для моделирования контактов. Затем можно использовать аргонный луч для уменьшения оксидного слоя, который образуется поверх контактов. Образец должен быть охлажден во время процесса гравировки, чтобы не допустить плавления контактных ниобиевых элементов. В этот момент слои алюминия могут быть отложены поверх чистых поверхностей ниобия. Затем алюминий осаждается в двух шагах под чередующимися углами на контактах ниобия. Между двумя слоями алюминия образуется оксидный слой, чтобы создать соединение Al/AlOx/Al Josephson.

Параметры кубита потока

Поток-кубит отличается от других известных типов сверхпроводящих кубитов, таких как зарядный кубит или фазовый кубит, энергией сцепления и энергией заряда его стыков. В режиме заряда кубитов энергия заряда стыков доминирует над энергией сцепления. В поточном кубите ситуация обратная, и энергия сцепления доминирует. Как правило, для поточного кубита энергия сцепления в 10 100 раз больше энергии зарядки, что позволяет парм Купера непрерывно течь вокруг петли, а не туннелировать дискретно через стыки, как заряженный кубит.

Джозефсонский пересечение

Для того, чтобы сверхпроводящая схема функционировала как кубит, должен быть нелинейный элемент. Если схема имеет гармонический осциллятор, например, в схеме LC, уровни энергии выросли. Это запрещает образование двух кубитового вычислительного пространства, потому что любое микроволновое излучение, которое применяется для манипулирования основной состоянием и первым возбужденным состоянием для выполнения кубитовых операций, также возбудит состояния с более высокой энергией. Стыки Джозефсона - единственный электронный элемент, который не является линейным, а также не является диссипативным при низких температурах. Это требования к квантовым интегральным схемам, что делает стыки Джозефсона необходимыми при построении флюкс-кубитов. Понимание физики стыка Джозефсона улучшит понимание того, как работают флюкс-кубиты. По сути, стыки Джозефсона состоят из двух частей сверхпроводящей тонкой пленки, которые разделены слоем изолятора. В случае поточных кубитов, стыки Джозефсона производятся в процессе, описанном выше. Волновые функции сверхпроводящих компонентов перекрываются, и эта конструкция позволяет туннелировать электроны, что создает разницу фаз между волновыми функциями по обе стороны изоляционного барьера. Прямая связь может быть дополнительно усилена кинетической индуктивностью, если кубитовые петли будут разделять край, так что токи будут протекать по той же сверхпроводящей линии. Вставка стыка Джозефсона на эту соединительную линию добавит индуктивность Джозефсона и увеличит сцепление еще больше. Для реализации переключаемой сцепки в механизме прямой сцепки, как это требуется для реализации ворота с конечным временем действия, может использоваться промежуточная петля сцепления. Управляющий магнитный поток, применяемый к петле сцепления, включает и выключает сцепление, как это реализовано, например, в машинах D Wave Systems. Второй метод соединения использует промежуточный микроволновой резонатор, обычно реализованный в геометрии сопланарного волновода. Настраивая разделение энергии кубитов на то, чтобы соответствовать резонатору, фазы циклических токов синхронизируются, и реализуется сцепление σxσx. Настройка кубитов в резонанс и вне резонанса (например, путем изменения их смещения магнитного потока) контролирует продолжительность работы шлюза.

In order for a superconducting circuit to function as a qubit, there needs to be a non linear element. If the circuit has a harmonic oscillator, such as in an LC circuit, the energy levels are degenerate. This prohibits the formation of a two qubit computational space because any microwave radiation that is applied to manipulate the ground state and the first excited state to perform qubit operations would also excite the higher energy states. Josephson junctions are the only electronic element that are non linear as well as non dissipative at low temperatures These are requirements for quantum integrated circuits, making the Josephson junction essential in the construction of flux qubits. Understanding the physics of the Josephson junction will improve comprehension of how flux qubits operate. Essentially, Josephson junctions consist of two pieces of superconducting thin film that are separated by a layer of insulator. In the case of flux qubits, Josephson junctions are fabricated by the process that is described above. The wave functions of the superconducting components overlap, and this construction allows for the tunneling of electrons which creates a phase difference between the wave functions on either side of the insulating barrier. The direct coupling might be further enhanced by kinetic inductance, if the qubit loops are made to share an edge, so that the currents will flow through the same superconducting line. Inserting a Josephson junction on that joint line will add a Josephson inductance term, and increase the coupling even more. To implement a switchable coupling in the direct coupling mechanism, as required to implement a gate of finite duration, an intermediate coupling loop may be used. The control magnetic flux applied to the coupler loop switches the coupling on and off, as implemented, for example, in the D Wave Systems machines. The second method of coupling uses an intermediate microwave cavity resonator, commonly implemented in a coplanar waveguide geometry. By tuning the energy separation of the qubits to match the one of the resonator, the phases of the loop currents are synchronized, and a σxσx coupling is implemented. Tuning the qubits in and out of resonance (for example, by modifying their bias magnetic flux) controls the duration of the gate operation.

Читание

Как и все квантовые биты, флюс-кубиты требуют подходящего чувствительного зонда, соединенного с ним, чтобы измерить его состояние после выполнения вычислений. Такие квантовые зонды должны вводить как можно меньше обратного воздействия на кубит во время измерения. В идеале они должны быть отсоединены во время вычислений, а затем включены в течение короткого времени во время считывания. Прочитывающие зонды для поточных кубитов работают, взаимодействуя с одной из макроскопических переменных кубита, таких как циркулирующий ток, поток в петле или макроскопическая фаза сверхпроводника. Это взаимодействие затем изменяет некоторые переменные из считываемого зонда, которые могут быть измерены с использованием обычной электроники с низким уровнем шума. Проверка считывания обычно является технологическим аспектом, который отделяет исследования различных университетских групп, работающих над флюкс-кубитами. Группа профессора Муи в Делфте в Нидерландах вместе с коллегами стала пионером технологии флюкс-кубитов и первой разработала, предложила и внедрила флюкс-кубиты, как они известны сегодня. Схема дельфтского считывания основана на цикле SQUID, которая индуктивно связана с кубитом, состояние кубита влияет на критический ток SQUID. Критический ток может быть затем считан с помощью скатывающихся токов измерения через SQUID. Недавно группа использовала частоту плазмы SQUID в качестве переменной для считывания. Группа доктора Ильичева в IPHT Jena в Германии использует методы измерения импеданса, основанные на том, что поточный кубит влияет на резонансные свойства высококачественной циркулярной цепи, которая, как и группа Делфта, также индуктивно связана с кубитом. В этой схеме магнитная восприимчивость кубита, которая определяется его состоянием, изменяет фазовый угол между током и напряжением, когда небольшой сигнал переменного тока проходит в цепь резервуара. Группа профессора Петрашова в Роял Холлоуэй использует зонд интерферометра Андреева для считывания флюкс-кубитов. Это считывание использует фазовое влияние сверхпроводника на проводимость обычного металла. Длина нормального металла соединяется с обоих концов с обеих сторон кубита с помощью сверхпроводящих проводов, фаза через кубит, которая определяется его состоянием, переводится в нормальный металл, сопротивление которого затем считывается с использованием измерений низкого шумового сопротивления. Группа доктора Джергера использует резонаторы, которые соединены с флюкс-кубитом. Каждый резонатор предназначен только для одного кубита, и все резонаторы могут быть измерены с помощью одной линии передачи. Состояние флюкс-кубита изменяет резонансную частоту резонатора из-за дисперсивного сдвига, который улавливается резонатором от соединения с флюкс-кубитом. Затем резонансная частота измеряется по линии передачи для каждого резонатора в цепи. Состояние поточного кубита определяется измеренным сдвигом в резонансной частоте.

Like all quantum bits, flux qubits require a suitably sensitive probe coupled to it in order to measure its state after a computation has been carried out. Such quantum probes should introduce as little back action as possible onto the qubit during measurement. Ideally they should be decoupled during computation and then turned "on" for a short time during read out. Read out probes for flux qubits work by interacting with one of the qubit's macroscopic variables, such as the circulating current, the flux within the loop or the macroscopic phase of the superconductor. This interaction then changes some variable of the read out probe which can be measured using conventional low noise electronics. The read out probe is typically the technology aspect that separates the research of different University groups working on flux qubits. Prof. Mooij's group at Delft in the Netherlands, along with collaborators, has pioneered flux qubit technology, and were the first to conceive, propose and implement flux qubits as they are known today. The Delft read out scheme is based on a SQUID loop that is inductively coupled to the qubit, the qubit's state influences the critical current of the SQUID. The critical current can then be read out using ramped measurement currents through the SQUID. Recently the group has used the plasma frequency of the SQUID as the read out variable. Dr. Il'ichev's group at IPHT Jena in Germany are using impedance measurement techniques based on the flux qubit influencing the resonant properties of a high quality tank circuit, which, like the Delft group is also inductively coupled to the qubit. In this scheme the qubit's magnetic susceptibility, which is defined by its state, changes the phase angle between the current and voltage when a small A. C. signal is passed into the tank circuit. Prof. Petrashov's group at Royal Holloway are using an Andreev interferometer probe to read out flux qubits. This read out uses the phase influence of a superconductor on the conductance properties of a normal metal. A length of normal metal is connected at either end to either side of the qubit using superconducting leads, the phase across the qubit, which is defined by its state, is translated into the normal metal, the resistance of which is then read out using low noise resistance measurements. Dr. Jerger's group uses resonators that are coupled with the flux qubit. Each resonator is dedicated to just one qubit, and all resonators can be measured with a single transmission line. The state of the flux qubit alters the resonant frequency of the resonator due to a dispersive shift that is picked up by the resonator from the coupling with the flux qubit. The resonant frequency is then measured by the transmission line for each resonator in the circuit. The state of the flux qubit is then determined by the measured shift in the resonant frequency.