物理學：彈道石墨烯約瑟夫森結進入微波電路！
新型超導微波電路採用石墨烯約瑟夫森結。圖片來源：TU Delft。
超導量子微波電路可以作為量子位，是未來量子計算機的構建模塊。這些電路的關鍵部件，約瑟夫森結，通常使用氧化鋁製成。代爾夫特理工大學量子納米科學系的研究人員現已成功將石墨烯約瑟夫森結合併到超導微波電路中。他們的工作為超導和石墨烯的相互作用及其作為量子技術材料的可能性提供了新的見解。
量子計算機的基本構建塊是量子比特或量子比特。與常規位（可以是1或0）不同，量子位可以是1，0或這兩種狀態的疊加。最後一種可能性，即位可以同時處於兩種狀態的疊加，允許量子計算機以經典計算機無法實現的方式工作。其影響是深遠的：量子計算機將能夠解決需要比普通計算機更長的問題才能解決的問題。
創建量子比特的方法有很多種。經過試驗和測試的方法之一是使用超導微波電路。這些電路的設計可以使它們像諧波振盪器一樣工作“如果我們在一側放電，它將通過電感器來回振盪，”Gary Steele教授說。“我們從這種充電的不同狀態中來回擺動我們的量子比特。”
量子微波電路的基本要素是所謂的約瑟夫森結，其可以例如由分離兩層超導材料的非超導材料組成。成對的超導電子可以穿過這個屏障，從一個超導體到另一個超導體，導致超級電流無限長地流動而不施加任何電壓。
在用於量子電路的最先進的約瑟夫森結中，薄弱環節是分隔兩個鋁電極的薄氧化鋁層。“然而，這些只能通過使用磁場進行調整，可能導致串擾和片上加熱，這可能會使它們在未來的應用中變得複雜，”Steele說。石墨烯提供了一種可能的解決方案。事實證明，它可承載超過微米距離的強大超級電流，可在高達幾特斯拉的磁場中存活。然而，迄今為止這些裝置僅限於直流（DC）應用。尚未探索微波電路中的應用，例如量子位或參量放大器。
具有石墨烯約瑟夫森結的新型超導微波電路的特寫鏡頭。圖片來源：TU Delft。
代爾夫特理工大學的研究小組將石墨烯約瑟夫森結合成了超導微波電路。通過在DC狀態下表徵它們的器件，他們發現它們的石墨烯約瑟夫森結具有彈道超電流，可以通過使用柵極電壓進行調諧，從而防止器件升溫。在利用微波輻射激勵電路時，研究人員直接觀察到結的約瑟夫森電感，這一點在石墨烯超導器件中直到達不到這一點。
研究人員認為石墨烯約瑟夫森結有可能在未來的量子計算機中發揮重要作用。“但是，它們是否可以製成可行的量子比特還有待觀察，”斯蒂爾說。雖然石墨烯結足夠用於構建量子比特，但它們不像基於氧化鋁結的傳統量子微波電路那樣連貫，因此需要進一步開發該技術。但是，在不需要高相干性的應用中，門可調性現在可能很有用。其中一個應用是放大器，它在量子基礎設施中也很重要。斯蒂爾：“我們對將這些器件用於量子放大器應用感到非常興奮。”
作者已將手稿中發佈的所有數據都提供在開放式存儲庫中，包括從儀器測量的數據路徑。此外，研究人員還發布了所有用於測量數據，分析數據以及在開源許可證下繪製圖表的軟件。
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