[论文解读] A scalable, tunable qubit, based on a clean DND or grain boundary D-D junction

A. M. Zagoskin|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 1999

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出一种可扩展、可调谐的超导量子比特，基于洁净的DND或晶界D-D结，利用双重简并的基态和非量子化的自发磁通。该量子比特的状态通过超导相位差的符号进行编码，可通过可调谐的约瑟夫森耦合实现相干操控，并为固态量子计算中的集成化多量子比特操作提供了可行路径。

ABSTRACT

Unique properties of a ballistic DND or grain boundary D-D junction, including doubly degenerate ground state with tunable potential barrier between the "up" and "down" states and non-quantized spontaneous magnetic flux, make it a good candidate for a solid state qubit. The role of quantum "spin" variable is played by the sign of equilibrium superconducting phase difference on the junction, which is revealed in the direction of spontaneous supercurrent flow in equilibrium. Possibilities of design-specific simultaneous operations with several integrated qubits are discussed.

研究动机与目标

• 开发一种适用于量子信息处理的高可扩展性和可调谐的固态量子比特架构。
• 利用弹道DND或晶界D-D结的独特量子特性，例如双重简并的基态。
• 通过可调谐约瑟夫森耦合和相位差调控，实现对量子比特态的相干控制。
• 探索利用该平台实现多个集成量子比特同步操作的可行性。
• 为基于非量子化磁通的超导结提供可扩展量子计算的设计框架。

提出的方法

• 利用弹道DND或晶界D-D结构建具有双重简并基态的系统。
• 将结两侧平衡超导相位差的符号作为量子比特的自由度。
• 利用平衡态下的自发超流来揭示相位差符号，类似于磁性系统中的自旋。
• 通过外部参数（如栅压或磁场）调节'上'和'下'态之间的势垒。
• 设计结以支持非量子化的自发磁通，从而实现对量子比特态的连续控制。
• 提出一种可扩展架构，通过定制化的耦合方案实现对多个此类量子比特的同时控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 洁净的DND或晶界D-D结是否能支持稳定且适合量子比特编码的双重简并基态？
• RQ2 结上相位差的符号如何用于定义稳健的量子比特自由度？
• RQ3 通过外部控制参数，该量子比特在多大程度上可被调节和相干操控？
• RQ4 如何设计多量子比特的集成方案，以实现同时控制能力？
• RQ5 结中非量子化的自发磁通是否能增强可调谐性和可扩展性？

主要发现

• DND或晶界D-D结支持双重简并的基态，且'上'和'下'相位态之间的势垒可通过外部参数调节。
• 量子比特态编码于平衡超导相位差的符号，该符号决定了自发超流的方向。
• 该系统表现出非量子化的自发磁通，使得量子比特态可在无离散磁通量子限制下实现连续调节。
• 由于结结构与平面制造工艺兼容，该量子比特具有固有的可扩展性，可集成于更大电路中。
• 通过定制化的耦合几何结构和控制参数，多个量子比特的同步操作是可行的。
• 该平台为实现可调谐、相干且可集成的固态量子计算提供了有前景的途径。