Кубит, который не боится шума экспресс
Обычный сверхпроводящий кубит похож на качели, которые раскачивает любой порыв ветра. Малейшее изменение электрического заряда рядом — и квантовое состояние уже испорчено. В новой работе физики сделали качели с тяжёлым основанием: заряд на островке кубита может меняться только парами, как будто монетки кидают в копилку строго по две. Это и есть защита от зарядового шума.
Схема называется $\cos(2\varphi)$-кубит. В ней туннельный контакт пропускает только пары куперовских пар — связанные четвёрки электронов. В эксперименте наблюдали расщепление двух состояний с противоположной чётностью на 13,6 мегагерца. Это в сто раз меньше, чем в прежних версиях, поэтому случайные зарядовые толчки почти не влияют на кубит. Удалось даже управлять им когерентно и считывать состояние за один выстрел.
Но у медали есть обратная сторона. Низкая частота переходов делает кубит уязвимым к магнитному шуму в петле туннельного элемента. Время жизни $T_1$ составило 70 микросекунд, а время когерентности с эхо-импульсом — 2,5 микросекунды. Эти цифры пока скромнее, чем у лучших обычных кубитов, но потенциал огромен: если справиться с магнитным шумом, зарядовые потери уйдут далеко за пределы 10 миллисекунд.
Авторы предлагают два пути: градиометрические схемы, где магнитное поле компенсируется, или новые элементы с туннелированием четырёх электронов. Если это получится, квантовые компьютеры станут заметно надёжнее без сложной коррекции ошибок.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском 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.
Куперовские пары — это электроны, которые при сверхнизких температурах объединяются в пары и текут без сопротивления. В этом кубите они туннелируют только четвёрками, как вагонетки, сцепленные по две.
Идея защиты квантовой информации от шума напоминает «топологическую изоляцию» из романа Грега Игана «Лестница Шильда», где данные хранятся в устойчивых узлах пространства.