Un cúbit que no le teme al ruido exprés
Un cúbit superconductor común se parece a un columpio que cualquier ráfaga de viento hace oscilar. El más mínimo cambio en la carga eléctrica cercana y el estado cuántico ya está arruinado. En el nuevo trabajo, los físicos hicieron un columpio con una base pesada: la carga en la isla del cúbit solo puede cambiar de a pares, como si las monedas se echaran a una alcancía estrictamente de a dos. Esa es la protección contra el ruido de carga.
El circuito se llama cúbit $\cos(2\varphi)$. En él, el contacto túnel solo deja pasar pares de pares de Cooper, es decir, cuartetos de electrones enlazados. En el experimento se observó el desdoblamiento de dos estados con paridad opuesta en 13,6 megahercios. Esto es cien veces menos que en versiones anteriores, por lo que los empujones de carga aleatorios casi no afectan al cúbit. Incluso se logró controlarlo de manera coherente y leer su estado de una sola vez.
Pero toda moneda tiene su reverso. La baja frecuencia de transición hace que el cúbit sea vulnerable al ruido magnético en el lazo del elemento túnel. El tiempo de vida $T_1$ fue de 70 microsegundos, y el tiempo de coherencia con pulso de eco, de 2,5 microsegundos. Estas cifras son aún más modestas que las de los mejores cúbits convencionales, pero el potencial es enorme: si se logra controlar el ruido magnético, las pérdidas por carga irán mucho más allá de los 10 milisegundos.
Los autores proponen dos caminos: circuitos gradiométricos, donde el campo magnético se compensa, o nuevos elementos con tunelización de cuatro electrones. Si esto se logra, las computadoras cuánticas serán notablemente más confiables sin una corrección de errores compleja.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2603.13114
Superconducting circuits with embedded symmetries are good candidates to robustly protect quantum information from dominant error channels. The $$\cos(2\varphi)$$ qubit, consisting of an island shunted to ground through a tunneling element that selectively transmits pairs of Cooper pairs, leverages charge-parity symmetry to protect from charge-induced errors. In this experiment, we observe a doublet of states of opposite Cooper-pair parity split by $$13.6~\mathrm{MHz}$$. Operating in a soft-transmon regime, this splitting is two orders of magnitude smaller than in previous implementations, pushing charge-induced losses well beyond the measured coherence times. Despite the low transition frequency, we demonstrate coherent qubit control, single-shot readout, and resolve quantum jumps. Charge protection of the qubit is evidenced by a $$100-$$fold suppression of the island charge matrix element compared to the unprotected plasmon transition, placing dielectric loss limits above $$10~\mathrm{ms}$$. The measured $$T_1 = 70~\mu\mathrm{s}$$ and $$T_2^\mathrm{echo}= 2.5~\mu\mathrm{s}$$ are instead limited by $$1/f$$ flux noise in the tunnelling element's loop. This experiment shows that pushing Cooper-pair pairing in the transmon regime sets high limits on charge-induced losses while preserving coherent control and single-shot readout of the low-frequency qubit. We identify flux noise as the dominant remaining limitation, calling for gradiometric designs or novel $$4e$$-tunneling elements.
Los pares de Cooper son electrones que a temperaturas ultrabajas se unen en pares y fluyen sin resistencia. En este cúbit, tunelizan solo de a cuatro, como vagonetas enganchadas de a dos.
La idea de proteger la información cuántica del ruido recuerda al 'aislamiento topológico' de la novela 'La escalera de Schild' de Greg Egan, donde los datos se almacenan en nodos estables del espacio.