[论文解读] Defying the fine structure constant: single Cooper pair circuit free of charge offsets

Vladimir Manucharyan, Jens Koch+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2009

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 2

一句话总结

本文提出一种基于大电容隧道结串联阵列的超导人工原子，利用约瑟夫森动能电感构建稳健的电磁环境。通过用结的本征电感替代传统电感器，系统实现了单 Cooper 对效应，且完全不受偏置电荷影响，从而克服了精细结构常数带来的根本性限制。

ABSTRACT

The promise of single Cooper pair quantum circuits based on tunnel junctions for metrology and quantum information applications is severely limited by the influence of “offset ” charges – random, slowly drifting microscopic charges inherent to many solid-state systems. A remedy is to shunt the junction with a sufficiently large inductance. However, the small value of the fine structure constant imposes a fundamental incompatibility between shunting with a wirewound inductor and providing correct electromagnetic environment for single Cooper pair effects. By employing the Josephson kinetic inductance of a series array of large capacitance tunnel junctions, we have solved this conundrum and realized a new superconducting artificial atom. Its energy spectrum manifests the anharmonicity associated with single Cooper pair effects combined with total insensitivity to offset charges. Quantum electrodynamics, the theory of interacting quanta of charge and quanta of electromagnetic radiation, imposes a fundamental asymmetry between electric charge and magnetic flux, expressed by the small value of the fine structure constant α = e2

研究动机与目标

• 为克服单 Cooper 对电路中偏置电荷噪声的根本挑战，该噪声会降低相干性与计量精度。
• 解决大并联电感与单 Cooper 对效应所需电磁环境之间的不兼容性。
• 实现一种具有本征电荷不敏感性的超导人工原子，同时保持来自单 Cooper 对隧穿的强非简谐性。
• 证明约瑟夫森动能电感可替代外部电感器，从而实现可扩展的、电荷不敏感的量子电路。

提出的方法

• 采用大电容隧道结的串联阵列，以产生大而本征的约瑟夫森动能电感。
• 利用结阵列的动能电感作为并联电感，以稳定电路，抑制偏置电荷涨落。
• 设计电路以维持单 Cooper 对效应所必需的高阻抗环境。
• 通过调节结参数，确保有效电感足够大，以抑制电荷噪声，同时保持量子相干性。
• 利用量子电动力学中电荷与通量之间的基本不对称性，其中精细结构常数 α = e²/ħc 限制了传统电感器方案的适用性。
• 通过电路本征特性实现自洽的电磁环境，而非依赖外部元件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种超导电路，使其表现出单 Cooper 对效应，同时对偏置电荷完全不敏感？
• RQ2 是否可能以一种保持所需电磁环境以维持量子相干性的方法，用本征约瑟夫森动能电感替代外部电感器？
• RQ3 精细结构常数 α 如何限制基于并联结的电荷不敏感超导量子比特的设计？
• RQ4 动能电感在实现可扩展、鲁棒的人工原子（完全免受电荷噪声影响）中起到什么作用？
• RQ5 在消除偏置电荷敏感性的同时，能否保持来自单 Cooper 对隧穿的非简谐性？

主要发现

• 所提出的电路表现出单 Cooper 对隧穿的典型非简谐性，证实了 Cooper 对充电效应导致的离散能级存在。
• 由于结阵列提供的大动能电感，能谱保持稳定且对偏置电荷不敏感。
• 系统在无需外部电感器的情况下，实现了单 Cooper 对效应所必需的高阻抗环境。
• 本征约瑟夫森动能电感有效抑制了电荷噪声，消除了对外部屏蔽或补偿的需求。
• 该设计规避了精细结构常数 α 所施加的根本限制，否则该常数会限制此类电路中传统电感器的使用。
• 人工原子表现出稳健的量子行为，偏置电荷涨落引起的退相干极小，具备在计量学和量子信息领域应用的潜力。