Nuevas estrategias para diseñar circuitos superconductores resistentes al ruido

Una colaboración entre la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Instituto Balseiro en Argentina ha propuesto una solución para mejorar la resistencia al ruido de una de las principales plataformas para el desarrollo de los ordenadores cuánticos: los circuitos superconductores. El trabajo, publicado en PRX Quantum, sugiere el uso de uniones Josephson multiterminales como una alternativa prometedora para lograr este objetivo.

Las uniones Josephson convencionales separan dos contactos superconductores mediante una región poco conductora que limita el transporte de electrones, “como si fuera una especie de túnel estrecho entre dos amplias autovías”, declaran los autores. Estas uniones permiten que la carga electrónica oscile cuánticamente entre los contactos, formando configuraciones que se utilizan para implementar los qubits superconductores más comunes. Sin embargo, estos sistemas son muy sensibles al ruido ambiental, lo que reduce significativamente el tiempo de operación de los qubits.

Una unión Josephson multiterminal conecta varios contactos superconductores, y su versión de tres terminales se ha utilizado para diseñar qubits protegidos frente al ruido. “La clave reside en combinar dos qubits convencionales: un transmon y un fluxonium. Uno de los terminales se deja libre para generar un transmon, mientras que los otros dos se unen formando un anillo que genera un fluxonium”, explican los autores. 

“Esta combinación —agregan— hereda las propiedades beneficiosas de ambos tipos de qubits y queda protegida contra los mecanismos por los que el ruido reduce el tiempo de vida del qubit resultante: el desfasaje, relacionado con las fluctuaciones de su energía, y la depolarización, relacionada con las transiciones indeseadas entre sus estados”.

Fabricación de uniones multiterminales

La fabricación de las uniones multiterminales se realiza utilizando semiconductores bidimensionales, dibujando litográficamente las diferentes regiones que componen el circuito en las que se puede inducir superconductividad cuando se recubren con una capa de superconductor usual.

“En este tipo de uniones híbridas (superconductor-semiconductor) surge un concepto esencial en esta investigación: el efecto de la estructura interna de la unión en el sistema completo”, detallan los autores. “Es un cambio cualitativo, de la misma manera que, siguiendo la analogía del tráfico, para conectar varias carreteras no es lo mismo utilizar una rotonda que un ceda el paso”.

Estas uniones multiterminales no solo se diferencian en la cantidad de corriente máxima que pueden soportar, sino en que también modifican profundamente la configuración electrónica del sistema. “Los estados de corriente del circuito comienzan a hibridarse con los estados electrónicos de la unión, conocidos como estados de Andreev, dando lugar a qubits híbridos como el Josephson-Andreev transmon o ‘JAmon’”.

Hacia nuevos diseños de qubits protegidos 

Dicha combinación de los grados bosónicos del circuito con los fermiónicos del sector Andreev tiene un interés de índole más fundamental, conectándose con campos como el acoplamiento fuerte entre luz y materia. Además, abre puertas a otros diseños de qubits protegidos, aunque introduce nuevos parámetros susceptibles al ruido.

Esta propuesta de circuitos con uniones Josephson multiterminales representa un avance significativo en la búsqueda de qubits más robustos y eficientes, un paso crucial hacia la realización de ordenadores cuánticos prácticos y funcionales.

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Referencia bibliográfica:

F.J. Matute-Cañadas, L. Tosi, and A. Levy Yeyati, PRX Quantum 5, 020340 (2024). “Quantum Circuits with Multiterminal Josephson-Andreev Junctions”, https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.5.020340

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