Сверхпроводящий кубит — это крошечная электрическая цепь, которая ведёт себя как искусственный атом. В обычном состоянии через неё течёт ток без сопротивления, и энергетические уровни расположены ровно, как ступеньки лестницы. Но если в цепи застревает один-единственный электрон, всё меняется. Этот лишний электрон похож на пассажира, который втиснулся в переполненный вагон: он не просто занимает место, а заставляет всех остальных потесниться и перестроиться.
Авторы работы рассчитали, как именно выглядят уровни энергии в таком кубите с одним застрявшим электроном. Оказалось, что они выстраиваются в совершенно другом порядке, чем в обычном кубите без лишнего электрона. Причём этот порядок зависит от того, что сильнее — электрическое поле, которое удерживает электроны, или способность тока течь без сопротивления. Это как если бы в переполненном вагоне пассажиры пересаживались по-разному в зависимости от того, насколько сильно трясёт поезд.
Такое поведение можно будет проверить в экспериментах с гибридными сверхпроводниками, которые соединяют сверхпроводник с обычным полупроводником. В последние годы такие структуры научились делать очень аккуратно — и из тонких проволочек, и из плоских слоёв, где электроны движутся как по шоссе. Если предсказание подтвердится, это даст новый способ управлять квантовыми битами — просто добавляя или убирая один электрон.
как её написали авторы, на английском 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.
В сверхпроводящем кубите один лишний электрон может изменить энергию системы так же заметно, как одна неправильная нота меняет мелодию.