Le nouveau circuit micro-ondes supraconducteur avec une jonction Josephson en graphène. Crédit :TU Delft
Les circuits micro-ondes quantiques supraconducteurs peuvent fonctionner comme des qubits, les éléments constitutifs d'un futur ordinateur quantique. Un composant critique de ces circuits, la jonction Josephson, est généralement fabriqué à l'aide d'oxyde d'aluminium. Des chercheurs du département de nanosciences quantiques de l'Université de technologie de Delft ont maintenant réussi à incorporer une jonction Josephson de graphène dans un circuit à micro-ondes supraconducteur. Leurs travaux offrent un nouvel aperçu de l'interaction de la supraconductivité et du graphène et de ses possibilités en tant que matériau pour les technologies quantiques.
Le bloc de construction essentiel d'un ordinateur quantique est le bit quantique, ou qubit. Contrairement aux bits ordinaires, qui peut être un ou zéro, les qubits peuvent être un, zéro ou une superposition de ces deux états. Cette dernière possibilité, que les bits peuvent être dans une superposition de deux états en même temps, permet aux ordinateurs quantiques de fonctionner d'une manière impossible avec les ordinateurs classiques. Les implications sont profondes :les ordinateurs quantiques seront capables de résoudre des problèmes qui prendront plus de temps à un ordinateur ordinaire que l'âge de l'univers à résoudre.
Il existe de nombreuses façons de créer des qubits. L'une des méthodes éprouvées consiste à utiliser des circuits micro-ondes supraconducteurs. Ces circuits peuvent être conçus de telle manière qu'ils se comportent comme des oscillateurs harmoniques " Si nous mettons une charge d'un côté, il passera par l'inducteur et oscillera d'avant en arrière, " a déclaré le professeur Gary Steele. "Nous faisons nos qubits à partir des différents états de cette charge qui rebondissent dans les deux sens."
Un élément essentiel des circuits micro-ondes quantiques est la jonction dite de Josephson, qui peut, par exemple, sont constitués d'un matériau non supraconducteur qui sépare deux couches de matériau supraconducteur. Des paires d'électrons supraconducteurs peuvent passer à travers cette barrière, d'un supraconducteur à l'autre, résultant en un supercourant qui peut circuler indéfiniment longtemps sans aucune tension appliquée.
Dans les jonctions Josephson de pointe pour circuits quantiques, le maillon faible est une fine couche d'oxyde d'aluminium séparant deux électrodes en aluminium. "Toutefois, ceux-ci ne peuvent être réglés qu'à l'aide d'un champ magnétique, pouvant entraîner une diaphonie et un échauffement sur puce, ce qui peut compliquer leur utilisation dans les applications futures, " a déclaré Steele. Le graphène offre une solution possible. Il s'est avéré qu'il héberge des supercourants robustes sur des distances micrométriques qui survivent dans des champs magnétiques allant jusqu'à quelques Tesla. Cependant, ces dispositifs étaient jusqu'à présent limités aux applications à courant continu (CC). Applications dans les circuits hyperfréquences, comme les qubits ou les amplificateurs paramétriques, n'avait pas été exploré.
Gros plan sur le nouveau circuit micro-onde supraconducteur avec une jonction Josephson en graphène. Crédit :TU Delft
L'équipe de recherche de l'Université de technologie de Delft a incorporé une jonction de graphène Josephson dans un circuit micro-ondes supraconducteur. En caractérisant leur dispositif en régime DC, ils ont montré que leur jonction de graphène Josephson présente un supercourant balistique qui peut être réglé par l'utilisation d'une tension de grille, ce qui empêche l'appareil de chauffer. Lors de l'excitation du circuit avec un rayonnement micro-ondes, les chercheurs ont directement observé l'inductance Josephson de la jonction, qui n'étaient jusqu'alors pas directement accessibles dans les dispositifs supraconducteurs au graphène.
Les chercheurs pensent que les jonctions de graphène Josephson ont le potentiel de jouer un rôle important dans les futurs ordinateurs quantiques. "Il reste à voir s'ils peuvent être transformés en qubits viables, cependant, " a déclaré Steele. Alors que les jonctions de graphène étaient assez bonnes pour la construction de qubits, ils n'étaient pas aussi cohérents que les circuits micro-ondes quantiques traditionnels basés sur des jonctions d'oxyde d'aluminium, un développement plus poussé de la technologie est donc nécessaire. Cependant, dans les applications qui ne nécessitent pas une grande cohérence, l'accordabilité de porte pourrait être utile maintenant. Une telle application est dans les amplificateurs, qui sont également importants dans l'infrastructure quantique. Steele : « Nous sommes très enthousiastes à l'idée d'utiliser ces appareils pour des applications d'amplificateur quantique. »
Les auteurs ont rendu toutes les données publiées dans le manuscrit disponibles dans un référentiel ouvert, y compris le chemin jusqu'aux données telles qu'elles ont été mesurées à partir de l'instrument. En outre, les chercheurs ont publié tous les logiciels utilisés pour mesurer les données, analyser les données, et réaliser les tracés des figures sous une licence open source.
Les résultats de l'étude ont été publiés dans Communication Nature .
