Un qubit superconductor es un diminuto circuito eléctrico que se comporta como un átomo artificial. En condiciones normales, la corriente fluye por él sin resistencia y los niveles de energía están espaciados uniformemente, como los peldaños de una escalera. Pero si un único electrón queda atrapado en el circuito, todo cambia. Ese electrón extra es como un pasajero que se cuela en un vagón abarrotado: no solo ocupa un sitio, sino que obliga a todos los demás a apretarse y recolocarse.
Los autores del estudio han calculado cómo son exactamente los niveles de energía en un qubit con un electrón atrapado. Descubrieron que se ordenan de una forma completamente distinta a la de un qubit normal sin ese electrón extra. Además, ese orden depende de qué domine: el campo eléctrico que retiene a los electrones o la capacidad de la corriente para fluir sin resistencia. Es como si en un vagón lleno los pasajeros se redistribuyeran de manera diferente según lo fuerte que sacuda el tren.
Este comportamiento podría verificarse en experimentos con superconductores híbridos, que combinan un superconductor con un semiconductor ordinario. En los últimos años se ha aprendido a fabricar estas estructuras con gran precisión, tanto a partir de finos hilos como de capas planas donde los electrones se mueven como por una autopista. Si la predicción se confirma, ofrecería una nueva forma de controlar los bits cuánticos: simplemente añadiendo o quitando un electrón.
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2601.23100
The quantum mechanics of the Josephson effect is the core ingredient for quantum technologies with superconducting circuits. A new avenue was recently opened in this field by predicting that the Josephson quantum mechanics in the odd parity sector, when a quasiparticle in trapped in an Andreev bound state, is fundamentally different from the conventional one in the even sector. The focus was then on a Josephson junction surrounded by an electromagnetic environment formed of a collection of bosonic modes, including the case of an ohmic environment. Here we consider the distinct case of a superconducting qubit made of a single Josephson junction whose environment reduces to a capacitance. We find a novel structure for the low-lying discrete states in the odd sector, which is altogether different from the one that appears in the even sector. Our study of the bound-state spectrum ranges from the Coulomb-dominated (Cooper pair box) to the Josephson-dominated (transmon) regime. Our prediction could be tested in forthcoming experiments with superconductor/semiconductor/superconductor junctions, which have been studied intensively in recent years, both using nanowires as well as two-dimensional electron gases.
En un qubit superconductor, un único electrón extra puede alterar la energía del sistema de manera tan notable como una nota desafinada cambia una melodía.