Trwałe stany kwantowe umożliwiają budowę komputerów kwantowych
Zarówno splątanie optyczne, jak i stałe oferują potencjalne możliwości budowy komputerów kwantowych i systemów bezpiecznej komunikacji. Dzielące te same własności fizyczne i koncepcje z wnękową elektrodynamiką kwantową, zawarte w architekturze ciała stałego nazywanej obwodową elektrodynamiką kwantową, sztuczne atomy są wykonane ze złączy Josephsona, połączonych z nadprzewodzącymi rezonatorami na chipie. Urządzenia rezonansowe zapewniają kontrolowane środowisko elektromagnetyczne chroniące kubity przed relaksacją energii. Pomimo tego, że obwodowa elektrodynamika kwantowa bardzo się rozwinęła na przestrzeni ostatnich lat, zachowanie koherencji w kubitach nadprzewodzących jest często trudne, ponieważ układy te przejawiają silne sprzężenie z polami elektromagnetycznymi. Obwody muszą być niedyssypatywne — na przykład części metalowe powinny mieć zerowy opór — tak aby sygnały mogły być przenoszone z jednej części obwodu do drugiej bez straty energii, a tym samym bez dekoherencji. W ramach projektu CQ3D (3D circuit quantum electrodynamics with flux qubits), finansowanego ze środków UE, naukowcy opracowali nowe metody kontrolowania, sprzęgania i pomiaru kubitów nadprzewodzących w niemal doskonałych środowiskach elektromagnetycznych z minimalnymi dodatkowymi obwodami, co pozwala zapobiegać dekoherencji. Stworzono różne układy eksperymentalne, aby zbadać przetwarzanie nadprzewodzących kubitów i rezonatorów. W pierwszej kolejności zespół przygotował eksperymenty polegające na sprzężeniu transmonowych kubitów wykonanych z glinu z rezonatorem 3D. Celem było wyjaśnienie najważniejszych mechanizmów relaksacji energii, w tym kwazicząstkowych efektów tunelowania. W kontekście opartej na spinie fizycznej implementacji kubitów naukowcy badali szczególny rodzaj defektu w diamentach — centra azot-wakancja — sprzęgając ich spiny elektronów z rezonatorami. Dzięki wykorzystaniu funkcji obrobionych wnęk 3D, takich jak głęboko wytrawiane podłoża i duże luki pojemnościowe w rezonatorach płaskich (2D), udało się zmniejszyć różnice wydajności między dwiema klasami urządzeń. Ostatecznie zespół uzyskał kubity strumieniowe i scharakteryzował dekoherencję tych nadprzewodzących bitów sprzężonych z rezonatorem. Utrzymanie długiej koherencji nadprzewodzących bitów jest niezbędne do praktycznych obliczeń, gdyż w przeciwnym razie cały efekt kwantowy znika. Silne sprzęganie kubitu nadprzewodzącego z rezonatorem 3D oznacza nowe możliwości budowy komputerów kwantowych, odznaczających się wydłużeniem czasu koherenji o dwa rzędy wielkości. Wyniki projektu opisano w czterech publikacjach.
