충전 큐비트

충전 큐비트 회로의 회로도.섬(점선)은 게이트 캐패시터와 접합 캐패시턴스 사이의 초전도 전극에 의해 형성됩니다.

양자 컴퓨팅에서 전하 큐비트(쿠퍼 페어 박스라고도 함)는 기본 상태가 전하 상태(섬에서 ^[1]^[2]^[3]과도한 쿠퍼 쌍의 유무를 나타내는 상태)인 큐비트이다.초전도 양자 컴퓨팅에서 전하 큐비트는^[4] 조지프슨 접합(또는 실질적으로 초전도 터널 접합)에 의해 초전도 저장소와 결합된 작은 초전도 섬에 의해 형성된다(그림 참조).큐비트 상태는 접점을 터널링한 Cooper 쌍의 수에 따라 결정됩니다.원자 또는 분자 이온의 전하 상태와 대조적으로, 그러한 "섬"의 전하 상태는 섬의 거시적인 수의 전도 전자를 포함합니다.전하 상태의 양자 중첩은 섬의 화학적 전위를 제어하는 게이트 전압 U를 조정함으로써 달성될 수 있습니다.충전 큐비트는 일반적으로 섬을 무선 주파수 단일 전자 트랜지스터와 같은 매우 민감한 전기계에 정전적으로 결합함으로써 판독됩니다.

전하 큐비트의 일반적인₂ T 코히렌스 시간은 약 ^[5]1 ~2μs입니다.최근 연구에서는 3차원 초전도 ^[6]^[7]캐비티 내에서 트랜스몬으로 알려진 전하 큐비트를 사용하여 T 시간이 100μs에 근접하는₂ 것으로 나타났습니다.T의 한계를₂ 이해하는 것은 초전도 양자 컴퓨팅 분야에서 활발한 연구 분야입니다.

제조

전하 큐비트는 마이크로 일렉트로닉스에 사용되는 것과 유사한 기술을 사용하여 제작됩니다.이 소자는 보통 전자빔 리소그래피(포토 리소그래피를 사용하는 위상 큐빗과 다름) 및 금속 박막 증발 프로세스를 사용하여 실리콘 또는 사파이어 웨이퍼에서 만들어집니다.조지프슨 접합부를 작성하려면 일반적으로 그림자 증발이라고 하는 기술이 사용됩니다. 이 방법에는 전자 빔 레지스트의 리소그래피 정의 마스크를 통해 소스 금속을 두 각도로 번갈아 증발시키는 작업이 포함됩니다.그 결과 초전도 금속의 두 층이 겹쳐지고 그 사이에 얇은 절연체 층(일반적으로 산화 알루미늄)이 퇴적됩니다.

해밀턴식

Josephson 접합부에 접점 $C_{\rm {J}}$ $CJ(\$ displaystyle $C_{\rm$ { $J$ 와 게이트 $C_{\rm {g}}$ C $C_{\rm {g}}$ (\ $displaystyle C_{\rm$ { $g$ 가 있는 경우 한 Cooper 쌍의 충전(Coulomb) 에너지는 다음과 같습니다.

({displaystyle E_{\rm {C}}=(2e)^{2}/2(C_{\rm {g}})+C_{\rm {J}).}

n $(\displaystyle$ n $)$ 이 $n$ 섬에서 초과된 Cooper 쌍의 수(즉, 순 전하량은 $-2ne$ e $(\displaystyle -2ne))$ 를 나타내는 $경우$ 해밀턴호는 다음과 같습니다.^[4]

{\displaystyle H=\sum _{n}{\rm {C}}(n-n_{\rm {g})^{2}n\rangle n - {\frac {1}{2}E_{\rm {J}}(n\rm \langle n+1+n}\rm {gle}\rm {c}n})

$n_{\rm {g}}=C_{\rm {g}}V_{\rm {g}}/(2e)$ 서 n g $n_{\rm {g}}=C_{\rm {g}}V_{\rm {g}}/(2e)$ $n_{\rm {g}}=C_{\rm {g}}V_{\rm {g}}/(2e)$ $n_{\rm {g}}=C_{\rm {g}}V_{\rm {g}}/(2e)$ $n_{\rm {g}}=C_{\rm {g}}V_{\rm {g}}/(2e)$ g / $n_{\rm {g}}=C_{\rm {g}}V_{\rm {g}}/(2e)$ ( $n_{\rm {g}}=C_{\rm {g}}V_{\rm {g}}/(2e)$ e $n_{\rm {g}}=C_{\rm {g}}V_{\rm {g}}/(2e)$ ) { $displaystyle$ n _ { \ $rm$ { $g$ } = $C$ _ { \ $rm$ { g } $V$ _ { \ $rm$ { $g$ } / ( $2e$ )는 $n_{\rm {g}}=C_{\rm {g}}V_{\rm {g}}/(2e)$ $E_{\rm {J}}$ 오프셋 충전으로 알려진 $E_{\rm {J}}$ 파라미터입니다( $V$ g ${\$ $displaystyle V_$ ${\$ $rm$ { $g$ $}$ 는 게이트 $V_{\rm {g}}$ 전압입니다 $).$

저온 및 저게이트 전압에서는 분석을 가장 $n=0$ n $n=0$ $({displaystyle$ n $=0})$ $n=1$ n $n=1$ $({display style$ n $=1})$ 상태로만 $n=1$ 제한하여 2레벨 양자 시스템(일명 큐비트)을 얻을 수 있습니다.

일부^[8]^[9] 최신 논문은 다른 표기법을 채택하고 있으며 충전 에너지를 하나의 전자의 것으로 정의한다.

(\displaystyle E_{\rm {C}}=e^{2}/2(C_{\rm {g}}+C_{\rm {J}}),})

그리고 대응하는 해밀턴식은 다음과 같습니다.

H=\sum _{n}{\rm {C}}(n-n_{\rm {g})^{2}n\rangle n - {\frac {1}{2}E_{\rm {J}}{\rm {J}(n\rangle \ble n+1+1\rm {gle n})\rm {crm {crm {cl}\rm {cl}\cl}n}n}

혜택들

지금까지 가장 큰 성공을 거둔 큐비트는 이온트랩과 NMR이며 쇼어 알고리즘은 NMR을 ^[10]사용하기도 하지만 양자컴퓨터를 만드는 데 필요한 수백, 수천, 수백만 큐비트로 확장되는 것은 보기 어렵다.큐비트의 솔리드 스테이트 표현은 훨씬 더 쉽게 확장 가능하지만, 그 자체에는 데코히렌스라는 고유한 문제가 있습니다.그러나 초전도체는 크기가 더 쉽게 확장된다는 장점이 있고 일반적인 고체 시스템보다 ^[10]더 일관성이 있습니다.

실험 진행

초전도 전하 큐비트의 구현은 1996년부터 빠르게 진행되고 있다.설계는 1997년 Shnirman에 ^[11]의해 이론적으로 설명되었고, 쿠퍼 쌍상자에서 전하의 양자 일관성에 대한 증거는 1997년 2월에 Vincent Bouchiet 등에 의해 발표되었다.^[12]1999년 나카무라 등에 ^[13]의해 전하 큐비트의 간섭성 진동이 처음 관찰되었다.2년 후 양자 상태의 조작과 전하 큐비트의 완전한 ^[14]실현이 관찰되었다.2007년, 전하 소음에 대한 감도가 감소했기 때문에 향상된 일관성을 보이는 트랜스몬으로 알려진 더 진보된 장치가 로버트 J. Schoelkopf, Michel Devoret, Steven M. Girvin과 그들의 동료들에 의해 예일 대학에서 개발되었다.

레퍼런스

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[Rigetti-7] C. Rigetti 등, "코히렌스 시간이 0.1ms에 근접한 도파관 공동 내 초전도 큐비트", arXiv:1202.5533 (2012)

[8] Didier, Nicolas; Sete, Eyob A.; da Silva, Marcus P.; Rigetti, Chad (2018-02-23). "Analytical modeling of parametrically-modulated transmon qubits". Physical Review A. 97 (2): 022330. arXiv:1706.06566. Bibcode:2018PhRvA..97b2330D. doi:10.1103/PhysRevA.97.022330. ISSN 2469-9926. S2CID 118921729.

[9] Schreier, J. A.; Houck, A. A.; Koch, Jens; Schuster, D. I.; Johnson, B. R.; Chow, J. M.; Gambetta, J. M.; Majer, J.; Frunzio, L.; Devoret, M. H.; Girvin, S. M. (2008-05-12). "Suppressing Charge Noise Decoherence in Superconducting Charge Qubits". Physical Review B. 77 (18): 180502. arXiv:0712.3581. Bibcode:2008PhRvB..77r0502S. doi:10.1103/PhysRevB.77.180502. ISSN 1098-0121. S2CID 119181860.

[Rodrigues-10] 초전도 충전 큐비트, Denzil Anthony Rodrigues, 3페이지

[11] Shnirman, Alexander; Schön, Gerd; Hermon, Ziv (22 September 1997). "Quantum Manipulations of Small Josephson Junctions". Physical Review Letters. 79 (12): 2371–2374. arXiv:cond-mat/9706016. Bibcode:1997PhRvL..79.2371S. doi:10.1103/physrevlett.79.2371. ISSN 0031-9007. S2CID 15467259.

[12] Vincent Bouchiat (21 February 1997). Quantum Coherence of the Charge in a single-Cooper-pair box circuit (PDF) (PhD). Paris 6 University.

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[14] Vion, Denis; Aassime, A; Cottet, A; Joyez, Ph; Pothier, H; Urbina, Ch; Esteve, D; Devoret, M (3 May 2002). "Manipulating the quantum state of an electrical circuit". Science. 296 (5569): 886–889. arXiv:cond-mat/0205343. Bibcode:2002Sci...296..886V. doi:10.1126/science.1069372. PMID 11988568. S2CID 43515935.

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