Circuitos superconductores basados en uniones Josephson exhiben
coherencia cuntica macroscpica y pueden comportarse comotomos
artificiales.Los recientes avances tecnolgicos han hecho posible
aplicar atmica fsica cuntica y pticaexperimentos en un chip
utilizando estos tomos artificiales.Esta revisin presenta una breve
resea de los avances logrados hasta el momentoen este campo que
avanza rpidamente.No slo discutimos fenmenos anlogos a los de la
fsica atmica y ptica cunticacon los tomos naturales, sino tambin
poner de relieve aquellos que no ocurre en los tomos
naturales.Adems, se resumen variosdirecciones posibles en este
campo interdisciplinario emergente.Scircuitos uperconducting con
uniones Josephson pueden comportarse comotomos artificiales.En
estos circuitos cunticos, la junc- Josephsonciones actan como
elementos de circuitos no lineales (Recuadro 1).Tal no linealidaden
un circuito garantiza una separacin desigual entre los niveles de
energa, de manera que laniveles ms bajos se pueden abordar de forma
individual mediante el uso de campos externos (ver,por ejemplo,
Refs 1-9).Experimentalmente, estos circuitos se fabrican en
unaescala de micras y funcionar a temperaturas millikelvin.Porquela
dimensionalidad reducida y gracias a la superconductividad,
ladisipacin y ruido inducido entorno se suprimen en gran medida,
por lo quelos circuitos pueden comportarse mecnica
cuntica.Circuitos superconductores basados en uniones Josephson
tienen recientementeconvertirse en sujetos de intensa investigacin,
ya que pueden ser utilizados como qubits-cuntica controlable
sistemas-para-dos niveles computacin cuntica (vase,por ejemplo, los
rbitros 1-4 para las revisiones).A pesar de que la decoherencia
tpicatiempos de estos circuitos estn a la altura de los requisitos
para cuntica com-putacin, su coherencia cuntica macroscpica es
suficiente para que puedanexhibir un comportamiento cuntico
llamativo.Estos circuitos pueden havea nmero deestados propios
superconductores con valores propios discretos inferiores allos
niveles de energa de las excitaciones cuasi-partculas que implican
romperPares de Cooper.Esta propiedad permite que estos circuitos se
comporten como super-la realizacin de tomos artificiales.De hecho,
existe una profunda analoga entretomos naturales y los tomos
artificiales hechas de superconductores cir-cuits (Recuadro
2).Ambos tienen niveles de energa discretos y pueden exhibir
coherenteoscilaciones cunticas entre estos niveles.Mientras que los
tomos naturales puedecontrolar utilizando fotones visibles o
microondas que excitan electronesde un estado a otro, los tomos
artificiales en estos circuitos son impulsadospor las corrientes,
voltajes y fotones de microondas que excitan el sistemade un estado
cuntico macroscpico a otro.Las diferencias entre los circuitos
superconductores y tomos naturalesincluyen las diferentes escalas
de energa en los dos sistemas, y con qu fuerzacada sistema se
acopla a su medio ambiente;el acoplamiento es dbil para
naturalestomos y fuerte para los circuitos.En contraste con tomos
de origen natural,tomos artificiales pueden ser diseados con
caractersticas y Fabricio especficascado en un chip utilizando
tecnologas litogrficas estndar.Con una vistaa las aplicaciones,
este grado de capacidad de ajuste es una ventaja importante
sobretomos naturales.As, en una manera controlable, circuitos
superconductorespuede ser utilizado para probar los principios de
la mecnica cuntica fundamentales en unaescala macroscpica, as como
para demostrar la fsica atmica yptica cuntica en un chip.Por otra
parte, estos tomos pueden ser artificialesdiseado para tener
propiedades exticas que no se producen en los tomos naturales.En
esta revisin, se destacan la atmico-la fsica cuntica y
pticafenmenos que se encuentran en circuitos superconductores.La
novela en la fsicaestos tomos artificiales se har hincapi,
incluyendo fenmenos queno se producen en los tomos naturales.Tambin
se resumen varios prospectivoinstrucciones de este campo
interdisciplinario emergente.Algunos de los ejemplosen este breve
resumen se refieren a nuestro trabajo, porque estamos ms
familiarizadoscon ellos.1Departamento de Fsica, Laboratorio Estatal
Clave de Fsica de superficie, clave Laboratorio de Micro y Nano
Fotnicas Estructuras (Ministerio de Educacin), la Universidad de
Fudan, Shanghai 200433, China.2AvanzadoInstituto de Ciencias,
RIKEN, Wako-shi 351-0198, Japn.3Departamento de Fsica de la
Universidad de Michigan, Ann Arbor, Michigan 48109-1040,
EE.UU..CUADRO 1La unin Josephson como unainductor no linealUn
superconductor contiene muchos electrones apareados, llamado
Cooperpares, que se condensan en el mismo estado cuntico
macroscpicodescrito por la funcin de ondaeyjjiw, Con yjj2siendo la
densidad dePares de Cooper.En ausencia de corrientes aplicadas o
campos magnticos,w la fase es la misma para todos los pares de
Cooper.Una unin de Josephson escompuesto de dos superconductores a
granel separadas por una delgadacapa aislante a travs del cual los
pares de Cooper pueden tnel (ver figuraa continuacin).El
supercorriente travs de la unin esI5IcSinq, dondela
corrienteIcrticocest relacionada con la energa de
acoplamientoEJosephsonJde la unin porIc5 (2e/ B)EJY Q5WL2wRes la
fasediferencia de los dos superconductores travs de la unin.La
horavariacin de esta diferencia de fase est relacionada con el
potencialVdiferenciaentre los dos superconductores: dQ /dt5 (2p /
W0)V,donde W05h/ 2ees el quantum-flujo magntico.A partir de la
definicinde la inductanciaL V5JdI/ dt,se sigue queLJ5W0/
(2pIccosq),lo que indica que la unin Josephson se comporta como un
no linealinductor.AislanteSuperconductorSuperconductorPar de
CooperLeiLReiR3 0 02 de junio 0 1 1 | VOL 4 7 4 | NATURALEZA | 5 8
9Macmillan Publishers Limited.Todos los derechos reservados
2011
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Circuitos superconductores como tomos artificialesDos escalas de
energa importantes determinan el comporta- mecnica cunticacomporta-
de un circuito de Josephson cruce: a saber, el acoplamiento
JosephsonenergaEJy la electrosttica Coulomb energaEc5 (2e)2/
2Cdurante un nicoCooper par, dondeees la carga electrnica, yCes o
bien la capacit-ANCECJde una unin Josephson o la capacitancia de un
superconductorisla llamada una caja de pares de Cooper (es decir,
la suma de la capacitancia de la puertaCgy la capacidad de la unin
relevante), dependiendo del
circuito.Figure1summarizesthreekindsofsuperconductingcircuitsimplementeden
diferentes regmenes deEJ/Ec;Fig.1a muestra el cuadro de voltaje
impulsado (tambinconocida como una caja de pares de Cooper) para un
qubit cargo5, Higo.1b el flujo impulsadobucle de tres unin para un
qubit de flujo6y la Fig.1c la junc- movido por
corrientetionforaphasequbit8,9.Asatypicalexample,
EnergylevelsofthefluxqubitareshowninFig.1d.Moreover,
hybridsuperconductingqubitsarepossible.Forinstance,
aCooper-pairboxcanbehavelikeacharge-fluxqubit7cuando seEJ/Ec
e>a> =>e>= >e>= >g> =>g>Figura
1|Circuitos superconductores como tomos artificiales.a,A de pares
de Cooper cuadroempujado por un voltaje de puertaVgy aplicado en el
rgimen de carga,EJ=Ec= 1.El bucle SQUID ofrece una energa efectiva
acoplamiento Josephson sintonizado por elenhebrar flujo magntico W.
Ver texto principal para la nomenclatura.El azul, el oro y
lacomponentes grises denotan, respectivamente, una placa del
condensador de puerta, unasuperconductores isla acta como una
'caja' de pares de Cooper, y un segmento de unbucle
superconductor;cada componente de color rojo denota la delgada capa
aislante deun cruce.bJosephson,Un bucle superconductor interrumpido
por tresUniones Josephson y aplicarse en el rgimen fase,EJ=Ec?
1.Los dosuniones Josephson idnticos tienen acoplamiento de
energaEJy la capacitanciaC,mientrastanto el acoplamiento de energa
Josephson yla capacitancia de la unin ms pequease reducen en un
factor a, donde 0,5, a, 1.El bucle de tres unin est sesgadapor un
flujo W tal quef:W = W0
a>e>e>g>a>e>g>g>g>e>e>a>a>g>e>a>g>Figura
2|tomos y conversiones de frecuencia de tres niveles.a,los niveles
de energa detomos naturales de la L, V y J tipos, as como un tomo
artificial de tipo Dque consiste en un bucle de tres unin flujo
impulsado.Las transiciones dipolares permitidosentre los niveles de
energa se indican en rojo.En contraste con origen naturaltomos, las
tres transiciones dipolares entre los estadosgji, jicorreoyunji son
todospermitido en el tipo D de tres niveles tomo artificial.Aqugj i
y jei denotan elsuelo y primera estados excitados, mientras queunji
denota o bien el segundo u otroestado excitado.b,de frecuencia
hasta la conversin en un tomo artificial de tipo D.En Este
Lugarv1(Ee{Eg) = B, v2(Eun{Ee) = B y v(Eun{Eg) = B, conEyo(I5g, E
oA)siendo el nivel de energa de laijestadoi.Cuando dos fotones de
microondas, una confrecuencia v1y el otro con v2, Son absorbidos
sucesivamente por el artificialtomo, que puede emitir un fotn de
microondas con frecuencia v5v11v2a travs de latransicinde unaji?gj
i.c,Frecuencia de conversin descendente en los de tipo D
artificialtomo.Cuando un fotn de microondas con frecuencia v es
absorbida por el artificialtomo, las transiciones
secuencialesunji?eji ji ycorreo? gji pueden producir dosfotones de
microondas con frecuencias v1y v2, Respectivamente.En
particular,cuandoEun{EeEe{Eg, La conversin ascendente enbconvierte
dos fotones confrecuencia12v de un fotn con una frecuencia v,
mientras que la conversin descendente encconvierte un fotn con una
frecuencia v de dos fotones con frecuencia12v.tomos naturales no
pueden realizar altura o hacia abajo-conversin, a menos que la
ayuda delos efectos no lineales.Sin embargo, los tomos artificiales
puede.REVISINDE LAS INVESTIGACIONES3 0 02 de junio 0 1 1 | VOL 4 7
4 | NATURALEZA | 5 9 1Macmillan Publishers Limited.Todos los
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sonda de campo de luz en resonancia con la transicin de
dipolounjie>a>g>g>Figura 4|Lasing.unainversin de
poblacin del Estado (para la accin lser) entre estadosejiygj i en
un bucle de tres cruce enfw12, En donde el tomo artificial es
rpidamentebombeada desdegji aunji por un fuerte pulso de microondas
(por ejemplo, por una rpidaOscilacin Rabi) y luego decae deunaji ji
alcorreoa travs de la emisin de fotones.Aqu eltasa de transicin de
dipoloeji ji parages pequea debido a una mayor entre los
pocillosbarrierbetween ellos; thedipoletransitionrate deunaji ji
alcorreoislargerowingtouna barrera inferior;y la tasa es an mayor
para la transicin dipolargji?unjiporque ninguna barrera de
potencial est implicado en la solo pozob,Photonemissionde.el tomo
artificial para construir un campo de accin lser, donde la barrera
entre los pocillos esstrongtransitionrate loweredsoastohavea
entreeji ygandtotunethe jiTransicinEji?gji en resonancia con la
cavidad.p,pp,pc,cc,ccbuntomotomop,pa>g>e>Figura
3|Electromagnticamente inducida transparencia.a,A campo de luz de
la sonda esabsorbida por tomos naturales o artificiales cuando la
frecuencia del campo de luz esresonante con una separacin
determinada entre dos niveles de energa atmica.B,sin embargo, el
campo de luz sonda puede ir a travs de los tomos naturales o
artificialescuando un campo de luz de control adecuado tambin
impulsa los tomos.c,tipo L de tres nivelessistema atmico para el
EIT.La frecuencia vpde la luz sonda de campo es resonantecon la
separacin de energa entre los estadosunji ji yg,y la frecuencia
vcdeel campo de luz de control es resonante con la separacin de
energa entre los estadosdejiyej i.La frecuencia de Rabi Vp(Vc)
Cuantifica la fuerza de acoplamiento entrela sonda (control) campo
de luz y el tomo.REVISINDELASINVESTIGACIONES5 9 2 | NATURALEZA |
VOL 4 7 4 | 3 0 02 de junio 0 1 1Macmillan Publishers Limited.Todos
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se hace grande y la cavidad es resonante con esta transicin.Sin
embargo, la condicin adiabtica no es fcil de satisfacer cerca de
estepunto Anticrecimiento(f12), Donde la transicin de Landau-Zener
esfuerte, por lo que el flujo de desviacin no se puede cambiar
mientras muy rpidoacercarse a este punto.Afortunadamente, lejos de
este Anticrecimientopunto, la transicin Landau-Zener es dbil, por
lo que es fcil de satisfacerla condicin adiabtica30y el flujo se
puede cambiar muy rpidamente.Para aprovechar las ventajas de esta
propiedad, la unin pequea Josephson enel bucle de flujo impulsado
puede ser reemplazado por un superconductor sintonizabledispositivo
de interferencia cuntica (SQUID).En este SQUID cc, el imncampo
ntico aplicado al bucle hace que la corriente crtica a oscilarcon
un perodo de 2W0.Con el SPI estableci en un flujo de empuje lejos
deF12, Se puede cambiar rpidamente el flujo en el bucle SQUID para
bajar elbarrera entre los pocillos, con el fin tanto de aumentar la
tasa de transicin Cpor ejemplo,y sesintonizar
estecorreotransicinji?gji en resonancia con el modo de la
cavidad(Fig. 4b).Esto puede producir un acoplamiento fuerte entre
el circuito yla cavidad.Para construir un campo de accin lser,
adems de las dos condiciones anteriores paraquicklyestablishing
SPIandthen achievinga strongcircuit-cavidad coup-ling, la cavidad
se utiliza debe tener un factorQde calidad(Q-factor),quees, una
pequea tasa de fugas de energa o la descomposicin.Esto se puede
implementar utilizando unaresonador de gua de ondas coplanar16.De
hecho, la accin lser se ha observado experimentalmente usando un
par de
Cooperboxinanon-chipcavity39.Incontrasttotheproposal30impulsado por
usingafluxbucle, este experimento39emplea un sistema de tres
niveles diferentes: los dosms bajo estados superconductoresgji ji
ycorreoy un estado cuasi-partculasaj i.El voltaje de la puerta est
sintonizado aVg.E/Cg(Por encima del punto de degeneracin), por
loestado 2ji con un par de Cooper extra en la caja se convierte en
el estado fundamentalgj ioftheartificialatom, andstate
0jiwithzeroextraCooperpairsinthecaja es el estado excitadoej
i.Adems, la caja est conectada a una ventaja a travs de unabarrera
tnel.Cuando se conduce la caja con un voltaje a travs del
tnelbarrera, un SPI entreeji: 0ji ygji: se logra 2ji,
siguiendoprocesos de construccin de tneles cuasi-partculas36.En
ref.39, se logr la accin lserde forma continua, con la luz emitida
de escape desde un extremo de la cavidad.EnfriamientoExisten
diferentes mtodos para enfriar tomos, incluyendo Doppler
refrigeracining, Ssifo refrigeracin, refrigeracin de banda lateral,
refrigeracin subrecoil y evapo-orative refrigeracin41.Algunas de
estas tcnicas se pueden adaptar para enfriar unade estado slido
tomo artificial.Por ejemplo, los Ssifo mtodo de refrigeracinse ha
utilizado para enfriar un qubit de flujo (es decir, una de tres
unin flujo impulsado obucle de cuatro
conexiones)40.Anotherimportantadvance42isthecoolingofafluxqubitimplementedmediante
el proceso inverso de SPI.En ref.42, la temperatura de la
super-qubit realizacin se redujo en hasta dos rdenes de magnitud
cuando sualrededores llegaron a una temperatura tan baja como
decenas de millikelvin.De Estase logra el enfriamiento de la qubit
de flujo cuando el flujo de empuje se desplaza lejosdef12, Donde
las tasas de transicin de dipolo para los tres ms bajos niveles
deel qubit flujo satisfacer la C relacionesagbaoea? Cge.Por
pticamente bombeoing el qubit a travs de la transicineji?unji, el
qubit es excitado al altaestado de energaunji y luego decae al
estado fundamental a travs de latransicinde unaji?gji (Fig.5a),
withanetenergy, extractedfromthequbit,emitidos al medio ambiente
exterior.Este experimento tambin ofrece finaanalogas entre tomos
artificiales de estado slido y los tomos naturales, ascomo mostrar
cmo estas analogas pueden inspirar nuevas aplicaciones.Aunque el
qubit superconductor en la ref.42 fue muy refrigerado(KBT=Ee2Eg) En
los experimentos, las fuentes de ruido que rodea elqubit no lo
eran.As que el qubit volver rpidamente a la temperatura desu
entorno.Para superar esta dificultad, el qubit superconductorpuede
ser rediseado para aumentar su controlabilidad mediante la
sustitucin de la pequeaUnin de Josephson en el bucle de flujo
impulsado con un SQUID sintonizable43.Los Lasproceso de
enfriamiento ahora se puede describir de la siguiente manera (Fig
5b-d): primero, como enel experimento42, El qubit se enfra
inicialmente, tras la inversaproceso de SPI.Entonces, el qubit
sintonizable se conecta durante un perodo detiempo a fin de
resonante interactuar con la fuente de ruido (por
ejemplo,fluctuators de dos niveles locales) que rodean el
qubit.Este extractos de procesola energa de la fuente de ruido para
calentar el qubit.La repeticin de estos dosprocesos43, Tanto el
qubit y su fuente de ruido vecinos pueden sersimultneamente
enfriado.Esto mejorar significativamente la cunticacoherencia del
qubit, debido a que el qubit enfriado es entonces trmicamente
activacinvada slo muy lentamente al primer estado
excitado.Recientes avances tcnicos permiten la fabricacin de un
nanomecnico-factorandasufficientlyhighfrequencyQresonatorwithbothahigh,cercatothetypicalfrequenciesofsuperconductingcircuits44.Thishasstimulatedlos
investigadores proponen diferentes maneras de utilizar circuitos
superconductores alograr el enfriamiento del estado fundamental del
resonador nanomecnico acopladores37,43,45-48.Por otra parte, el
enfriamiento experimental de un resonador tal, poracoplamiento a un
transistor de un solo electrn superconductor49o a un microonda de
frecuencia superconductor resonador50, Tambin ha sido
reportado.Cuando un resonador nanomecnica se enfra hasta el estado
fundamental51, Se pro-Vides una buena plataforma para explorar
diversos fenmenos cunticos y porobservando la transicin cuntica a
la clsica de tal macroscpicaobjeto.Esto dar lugar a la nueva
asignatura de la acstica cuntica.Generacin de fotonesQubits
superconductores tienen la ventaja de la manipulacin cunticaestados
de una manera controlable.Si estos qubits estacionarias son
espacialmenteseparado, se puede utilizar fotones individuales
generados en una cavidad extendida comoun bus cuntico, similar a un
qubit vuelo, para implementar com- cunticacomunicacin entre ellos
(Fig. 6a).Tecnolgicamente, esto requiere lageneracin de fotones
individuales mediante la manipulacin de un qubit superconductor,y
la transferencia de informacin entre los qubits superconductores
ylos fotones.El uso de una cavidad en el chip, se hace factible
para lograr esteproceso de comunicacin cuntica en un
chip.Experimentos recientes muestran que una fuente de fotn nico se
puede lograrutilizando un qubit superconductor acoplado a una
cavidad en el chip52-55.Cuando Seel qubit se prepara de la
excitadoejiestadopor un impulso de control, que
puede|A>|A>|G>uncdb|G>|E>|E>eaeaagaggege|A>|G>|E>eaagge|A>|G>|E>geFigura
5|Enfriamiento un tomo artificial de tres niveles y una cerca de
dos nivelessistema.una, el bucle de refrigeracin de tres unin a su
estado fundamentalgj i.Mientras que latomo artificial es
trmicamente emocionadoeji, uno puede conducir el tomo aunji por
uncampo de microondas.Debido a una tasa de transicin grande
paraunji?gji, el tomo puededecaer rpidamente del estado
inestableunji al estado fundamental, emitiendo netoenerga, extrae
de la tomo, al ambiente exterior.El azul (blanco)crculo indica el
nivel de energa que est ocupada (desocupado) por lo
artificialtomo.Las dos flechas verdes gruesas representan
transiciones dipolares de mayor tasa, ythethinner
brownarrowrepresents un dipoletransition.The blueand-tasa ms
bajaniveles de rojo en el doble pozo de potencial corresponden a
las tres de menor energaniveles de un bucle de tres unin sesgados
enfw12.b, mientras que la fuente de ruido estrmicamente excitado,
el tomo artificial se desplaza fuera de resonancia de la fuente de
ruidosintonizando el flujo aplicado externamente y tambin impulsado
al estado enfriado a travs de laproceso inverso de la
statepopulationinversioninuna.El cuadro de la derecha de ladiagrama
de nivel de energa representa una actuacin fluctuator de dos
niveles como una fuente de ruido.c, el INTER-wellbarrierof el tomo
artificial es TuningEl loweredby externamenteflujo aplicada a fin
de tener tanto una fuerte tasa de transicin entre lagji ycorreoji
yla transicingji?eji en resonancia con el sistema de dos niveles, a
fin de extraerenerga desde el sistema de dos niveles.d, desplazando
el tomo artificial fuera de resonanciadesde el sistema de dos
niveles de refrigeracin y el tomo de nuevo, con la energa
netaextrada del sistema de dos niveles emitida al ambiente
exterior.REVISINDE INVESTIGACIN3 0 02 de junio 0 1 1 | VOL 4 7 4 |
NATURALEZA | 5 9 3Macmillan Publishers Limited.Todos los derechos
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decaimiento al estado fundamentalgji mediante la emisin de uno
(y slo uno) de fotones enla cavidad en el chip;esta descomposicin
es posible debido a la interaccinentre el qubit y la cavidad.Si la
cavidad estaba originalmente en el0ji estado de vaco, ahora cambia
a las 1ji estatales de fotn nico.Cuando Seel qubit se prepara en un
estado de superposicin arbitraria ungj izbeji, ende una manera
ideal, el acoplamiento entre el qubit y la lata cavidadmapa del
estado qubit en un estado de superposicin de fotones cero y unoen
la cavidad: a 0jizb 1ji (Fig. 6b-d).Adems, el experimento enref.52
muestra cmo transferir informacin de una cavidad a una
estacionariaqubit (Fig. 6d-f).Estos experimentos demuestran que
tanto solafuentes de fotones y la comunicacin cuntica entre
superconductividadqubits conductos se pueden lograr en un chip.Sin
embargo, debido a lala relajacin y la decoherencia en tanto qubit y
la cavidad, despus de cada pasopara transferir la informacin entre
un qubit estacionaria y unacavidad, las amplitudes A y B del fotn
(qubit) de estado se puedediferente de las amplitudes A y B de la
qubit anterior (fotn)estado.Mejorar las tasas de relajacin y
tiempos de decoherencia qubit debepermitir transferencias estatales
de mayor fidelidad entre qubits y cavidades.Adems de la generacin
de fotn nico, tambin se puede generar, comopropuesto en refs 56 y
57, multi-fotn Fock establecenji (es decir, elestados de nmero de
fotones) y estados de superposicin arbitrariasXncnnj i.De hecho, en
un experimento reciente58, La generacin controladade pura Fock
afirma con se logr hasta 15 fotones usando una super-la realizacin
de qubit de fase acoplado a una cavidad de microondas en el
chip.Adems, gracias a las ventajas tanto de la cavidad en el chip
ycircuitos superconductores sintonizables, superposiciones
complejas de estadosTambin se generaron con diferente nmero de
fotones en un controladay de manera determinista55, Que es una
hermosa real experimentalzacin del protocolo descrito en la ref.56.
Recientemente, elN-photonestados NOON entreverados,N0jiz 0Nji,
tambin se han generado en dosresonadores superconductores59.Estos
experimentos revelan an ms lacomportamiento cuntico de la cavidad
en el chip y proporcionar una situ tilexigir fuente multi-fotn para
el futuro cuntico-tecnologa de aplicacincationes.Tomografa estado
cunticoUn crucialstep en el procesamiento de informacin cuntica
isthe medicin delos estados cunticos de salida.Sin embargo, un
estado cuntico no que pueda evaluarsecontenida por una sola medicin
cuntica.Esto es porque cunticaestados pueden comprender muchas
caractersticas complementarias que no pueden sermedido al mismo
tiempo y con precisin, debido a relaciones de incertidumbre.Sin
embargo, todos los aspectos complementarios pueden en principio ser
observados poruna serie de mediciones en un nmero suficientemente
grande de pre- idnticamentePared, copias del sistema
cuntico.Entonces, se podra reconstruir unaestado cuntico
desconocido de un conjunto tan completo de mediciones deobservables
del sistema.Tal proceso de reconstruccin de estados cunticos
esllamada tomografa estado cuntico.El uso de la tomografa por
estado, el ruidosocanal del sistema cuntico tambin se puede
determinar.Este procedimientode la determinacin de la dinmica de un
sistema cuntico abierta que se conoce comotomografa proceso
cuntico.Mediciones tomogrficos en los estados cunticos de
superconductoresing qubits de carga, ya sea qubits individuales o
mltiples, se propusieron en la ref.60. Recientemente, ha habido
muchos experimentos sobre el estado cunticola tomografa de qubits
superconductores monofsicos61,62y de dosfase superconductora
junto63y cargo64qubits.Tambin, cunticatomografa proceso se llev a
cabo experimentalmente en una sola65y sedos66qubits fase.De hecho,
la tomografa estado cuntico es un elemento esencialherramienta en
mediciones estatales qubit, y proceso cuntico tomografapuede ser
utilizado para sondear las propiedades de ruido y dinmica temporal
desistemas de qubits.Perspectivas de futuroTeniendo en cuenta los
avances tecnolgicos, los circuitos superconductores se pueden
utilizar parala mecnica cuntica prueba a escala macroscpica (Cuadro
3).Adems, puedense utilizarn para demostrar muchos nuevos fenmenos
de la ciencia cuntica.LaAlgunos ejemplos son los siguientes.Efecto
Casimir dinmicoCuando dos espejos paralelos se colocan en el
espacio vaco, su presenciaafecta a las fluctuaciones del vaco del
campo electromagntico.Porquelas diferentes densidades de los modos
de vaco dentro y fuera del espacioentre los dos espejos, una fuerza
neta en los espejos se pueden generar.Este efecto de la
electrodinmica cuntica es conocido como el Casimir estticaefecto.Si
los espejos se mueven, tambin hay una falta de coincidencia entre
los modos de vacoen diferentes momentos.Se ha predicho que esto
puede resultar en lacreacin de fotones reales fuera de las
fluctuaciones del vaco.Esta dinmicaEfecto Casimir tambin es vlido
para un solo espejo sujeto a una no uniformeaceleracin en el
espacio vaco.Aunque la recepcin de considerable intersdesde su
prediccin terica, todava no hay verificacin experimentaldel efecto
Casimir dinmico.Esto se debe principalmente al hecho de que latasa
de produccin de fotones no es despreciable slo cuando el Velo-
espejociudad se aproxima a la velocidad de la luz, haciendo que el
uso de espejos masivasmuy desafiante.Una gua de onda coplanar
terminada por un SQUID fuepropuesto67para observar
experimentalmente el efecto Casimir dinmico.Cambio del flujo
magntico roscado el paramtrica bucle SQUIDmodula la condicin de
contorno de la gua de ondas y de ese modo sulongitud
efectiva.Porque no hay movimiento enorme espejo, la velocidadde la
frontera eficaz puede acercarse a la velocidad de la luz.Cin de
Fotonesla produccin del vaco por lo tanto se puede hacer
experimentalmente detectable.Traslado de poblaciones
CoherentePuertas lgicas elementales en las redes de computacin
cuntica son generalmenteimplementado utilizando impulsos resonantes
diseados con precisin.Sin embargo, eldiversas fluctuaciones e
imperfecciones operativos que existen en la prcticalimitar estos
diseos.Adems, la dificultad de conmutacin acoplamientos en
interbitCcBCcLLaUn qubitbcFedunCavidadQubit BLaLLBC|1>|E >B|G
>B|0>|G >La|E >LaFigura 6|La transferencia de
informacin cuntica entre dos estacionariaqubits a travs de una
cavidad.una, diagrama esquemtico de dos qubits fase de flujo
impulsadocapacitivamente acoplada por una cavidad en el chip
(unLCresonador).b, A es Qubitpreparado en un estado de superposicin
de ungjiLazbejiLa, Mientras que tanto qubit B y laresonador se
preparan en sus estados fundamentales.En este paso, tanto qubits A
y Bson fuera de resonancia con la cavidad.c, Qubit A se desplaza en
resonancia con laresonador, para un intervalo de tiempot1p = 2gLa,
Con BgLasiendo la energa de interaccinqubit entre A y el
resonador.Este paso se asigna el estado de qubit A a laun estado de
superposicin 0jizb 1ji del resonador, donde 0ji y 1ji son dos
Fockestados del resonador con cero y un fotn, respectivamente.d,
qubit Shift Afuera de resonancia con el resonador de nuevo, y
almacenar la informacin cuntica enel resonador para un tiempo de
duracint2.e, qubit Shift B en resonancia con laresonador para un
intervalo de tiempot3p = 2gB, Donde BgBes la energa de
interaccinentre qubit B y el resonador.Este paso asigna el estado
del resonador ala superposicin indicar ungjiBzbejiBde qubit B.f,
Shift qubit B fuera de resonanciacon el resonador de nuevo, y
almacenar la informacin cuntica en qubit B. Notaque una
transferencia estado de alta fidelidad entre qubits A y B puede ser
implementado sitanto la relajacin y la decoherencia del estado son
despreciable durante elprocesos anteriores.INVESTIGACINDE REVISIN5
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y limita fuera fuertemente el diseo preciso de los impulsos
necesarios para dospuertas qubit.Para superar estas dificultades,
ref.68 propuso un enfoquetransferir de forma coherente las
poblaciones de los estados qubits utilizando
Stark-chirpedrapidadiabaticpassages.Asinthecaseofgeometricphases,
estostraslados de poblacin son insensibles a los tiempos evolucin
dinmica delos qubits, siempre y cuando que son adiabticas.Los
rpidos pasajes de adiabticospoblaciones podran ofrecer un enfoque
atractivo para la aplicacin de altofidelidad puertas de una y de
dos qubits para computacin cuntica.La clave de estos pasajes rpidos
adiabticos es cmo producir tiempo-detunings dependientes por el
canto de los niveles qubit.Para ms naturalsistemas atmicos o
moleculares, donde cada estado ligado posee un definidoparidad, los
chirridos de desafinacin requeridos podran lograrse mediante el uso
deel efecto Stark a travs de, por ejemplo, las excitaciones de dos
fotones de la qubitniveles69.La ruptura de simetras de paridad en
los estados unidos en super-circuitos que llevan a cabo, tales como
uniones Josephson actuales sesgada ofrece aluna ventaja68, Porque
thedesirabledetuning chirpscanbeproducedbypulsos de un solo
fotn.Recientemente, paso rpido adiabtico se logr parala
transferencia de un solo fotn en un circuito
superconductor70.Espejos sintonizables e interfermetrosCircuitos
superconductores se pueden utilizar para
Landau-Zener-Stuckelberginterferometra71, Pero tambin pueden ser
utilizados para otros tipos de
interfero-metra-includingFanoandFabry-Perotinterferometry72,73-bycouplingqubits
superconductores a una gua de ondas coplanar.Cuando se inyecta en
elgua de onda, los fotones interactan con los qubits en el camino,
y pueden sercontrolado por el cambio de los campos aplicados
elctricos y / o magnticos en laqubits.Estos tomos artificiales,
trabajando como espejos ajustables, pueden cambiar elcoeficientes
de reflexin y transmisin de los fotones confinados en elgua de
onda.Para un sistema que consta de un qubit superconductor en una
matriz decavidades acopladas, la transmisin de fotones exhibe una
lnea ms generalforma72, Ms all de las formas de lnea de
Breit-Wigner y Fano, debido a larelacin de dispersin fotnica no
lineal.En un contexto concreto de coincidenciacondicin entre la
longitud de onda del fotn y la constante de red72, Los lasrelacin
de dispersin fotnica puede convertirse en la transmisin de fotones
lineal yLa misin tiene la forma de la lnea de Breit-Wigner, al
igual que en una transmisin abiertalnea74.Recientemente, se observ
este fenmeno para un superconductorqubit de flujo acoplado a una
lnea de transmisin abierta75.Cuando dos super-qubits se colocan en
la realizacin de una serie de cavidades acopladas, puedenser
utilizado como espejos ajustables para formar un interfermetro de
Fabry-Perot73.TalSe espera un interfermetro controlable en el chip
para tener diversos aplicacincationes en ptica cuntica.Quantum
mediciones no demolicinEn una medicin cuntica, una seal observable
de un sistema cuntico esmedido mediante la deteccin del cambio en
una observable del detector que esacoplado al sistema cuntico
durante el proceso de medicin.Generalmente, el proceso de medicin
se perturbe el estado de lasistema cuntico debido a la interaccin
entre el sistema y eldetector.Un cuanto no demolicin (QND) medicin
noperturbar la evolucin posterior del sistema cuntico;esto puede
serlogrado mediante el uso de un tipo particular de sistema de
acoplamiento-detector quepreserva los estados propios de la seal
observable en el sistema cuntico.En la ptica cuntica, una medicin
QND del nmero de fotones puede serimplementado utilizando el efecto
Kerr ptico y un tomo de campo de dispersinacoplamiento (vase, por
ejemplo, ref. 29).La primera medicin QND xito en un qubit
superconductorse puso en prctica mediante el acoplamiento
tomo-campo dispersivo tecno-nique16,76.Experimentos
recientes77,78mostrar que las mediciones qnd puedetambin ser
implementado para un nico qubit superconductor mediante el uso de
un no-resonador lineal como el detector.En ref.77, el detector se
compone deun SQUID desva con una capacidad, mientras que en la
ref.78 el detector era unaamplificador de bifurcacin, que es una
unin de Josephson de trabajo rf impulsadacerca del punto de
bifurcacin dinmica79.Muy recientemente, una medida QND
rpidosurement de un qubit de flujo se llev a cabo en el dbilmente
proyectivargimen mediante el empleo de un detector SQUID dc
histertica80.Un cunticadispositivo puede tener mltiples qubits, lo
que las mediciones QND sobre cunticaestados de mltiples qubits (por
ejemplo, los estados enredados) deben ser unaapelando tema para
futuras investigaciones.Generacin de exprimido estadosEstados
comprimidos se han estudiado ampliamente en la ptica cuntica, y
estnse encuentra en estudio en los sistemas de materia
condensada.Debido a su
sintonizablenonlinearityandlowlossesinthemicrowaveregime, Josephson
crucecircuitos superconductores son dispositivos para la produccin
de exprimido prometedoresestados.En los circuitos
superconductores,LCosciladores han sido
exitosamenteusedforquantumcontrolandreadoutdevicesinconjunctionwithsuper-la
realizacin de qubits.Como transductores paramtricas (esencialmente,
radio-frecuencia auto-osciladores), circuitos tanque resonantes
superconductores tienenhan utilizado para medir el estado cuntico
de qubits de flujo81.Cuando exprimidoestados se generan en estos
circuitos tanque resonante acta como cunticoDetectores de estado,
el ruido de los detectores se pueden disminuir por debajo de
lalmite cuntico estndar.Un estudio terico reciente82muestra que una
super-la realizacin de transductor paramtrico naturalmente puede
implementar estaenfoque, ya que puede ser utilizado tanto para
producir estados comprimidos y utilizarRECUADRO 3Prueba de la
mecnica cuntica consuperconductor macroscpicacircuitosDesigualdad
de Bell.La desigualdad de Bell demuestra que las predicciones dela
mecnica cuntica pueden contradecir las de variables ocultas
localesteoras (vase, por ejemplo, ref 92). Si uno mira a las
correlaciones entreespacialmente separada
mediciones.Alternativamente se puede afirmar queninguna teora fsica
de variables ocultas locales puede reproducir todos lospredicciones
de la mecnica cuntica.Las pruebas de la desigualdad de Bell
tienenha propuesto, utilizando circuitos superconductores tales
como la carga93y sequbits fase94.Recientemente, la violacin de la
desigualdad de Bell ha sidoverificado experimentalmente95en qubits
de fase.Debido a que la desigualdad de Belles violado por una
prediccin de la mecnica cuntica, este experimentoproporciona una
fuerte evidencia de que estos superconductor macroscpicacircuitos
de hecho se comportan de la mecnica cuntica.Recientes
experimentalresultados96,97en estados Greenberger-Horne-Zeilinger
no requierenargumentos estadsticos para una violacin de la
desigualdad de Bell para ser visto.La desigualdad de
Leggett-Garg.Leggett andGarg derivedan
inequalityforasingledegreeoffreedomundergoingcoherentoscillationsandbeingmedido
en tiempos sucesivos98.La desigualdad Leggett-Garg puede
serconsiderarse como una versin temporal de la desigualdad de Bell,
y debe serviolados por un sistema de dos niveles cuntica.Muy
recientemente, esto ha sidoverificado experimentalmente99utilizando
una caja de tensin-conducido (es decir, elCooper-par caja) que acta
como un sistema de dos niveles cuntica, demostrando quelas
correlaciones de tiempo presentes en la salida del detector violan
ladesigualdad.Kochen-Specker teorema.Este teorema elucida el
conflictoentre la mecnica cuntica y de variables ocultas no
contextualteoras92.Medios no contextualidad que el valor medido de
unaobservable es independiente de la eleccin de otros co-medible(De
trayecto) observables que son medidos previamente
osimultneamente.La mecnica cuntica es no contextual, porquelos
resultados dependen del contexto de la medicin.Este teorema es
unacomplemento importante para el teorema de Bell;para ello, puede
refutar nocontextuales teoras de variables ocultas sin hacer
referencia a la localidad.A Laconfirmar tal fenmeno contrario a la
intuicin en una escala macroscpica,se propuso100utilizar dos qubits
de carga, que son de forma controlableacoplado por un bus de datos
de dos niveles construido a partir de un qubit de fase.Los
Lasanlisis100demostr que mediante la realizacin cuntica no
destructiva conjuntamediciones de dos qubits distintas, el
superconductor propuestacircuitos podran demostrar contextualidad
cuntica en una macroscpicael nivel.REVISINDE INVESTIGACIN3 0 02 de
junio 0 1 1 | VOL 4 7 4 | NATURALEZA | 5 9 5Macmillan Publishers
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con el fin de minimizar las fluctuaciones cunticas.Una aplicacin
inmediatationofthismethodwouldbetosuppresstheeffectivenoisetemperatureofel
amplificador conectado al transductor paramtrico, al menos en lala
temperatura nominal de la cmara de enfriamiento.Fases topolgicasUna
degeneracin estado cuntico topolgico protegido no puede ser
levantada porcualquier perturbaciones locales83.Por tanto, es
natural considerar el uso de topo-fases lgicas para aplicaciones
que requieren un alto grado de cunticacoherencia.Con circuitos
superconductores como bloques de construccin, diferentescelosas
artificiales pueden construirse que poseen topolgica
interesantefases.Por ejemplo, se ha propuesto que un Josephson
triangulargama de conexiones puede tener un estado base doble
degenerada, que podraser utilizado para la construccin de qubits
topolgicamente protegidas84.Recientemente, unaexperimento85se
implement para un dispositivo prototipo que constaba de12 qubits
fsicos hechos de uniones Josephson nanoescala.Debido abien puesto a
punto las fluctuaciones cunticas, este sistema est protegido
contravariaciones de flujo magntico mucho ms all de orden
lineal.Esto sugiere quequbits superconductores topolgicamente
protegidas son factibles.Tambin, super-Se propusieron los circuitos
que llevan a cabo86como una manera de construir el Kitaevmodelo de
nido de abeja, el cual requiere que el spin (natural o artificial)
encada nodo de una celosa de nido de abeja interacta con sus tres
dario ms cercanaBours a travs de tres tipos diferentes de
interacciones87.Dependiendo deparmetros de bonos, este modelo giro
anisotrpico soporta tanto abelianoy anyons no abelianas, que son
partculas que obedecen las estadsticas inusuales(Que no son ni los
bosones ni fermiones).Su realizacin proporcionarainteresantes
oportunidades para demostrar experimentalmente anyons.Observaciones
finalesLos circuitos superconductores que hemos descrito
anteriormente contienenUniones Josephson que pueden actuar como
inductores no lineales.Usando adecuadamentediseado circuitos
superconductores, por lo que es posible fabricarresonadores no
lineales de campo controlados, que pueden utilizarse para
demostrarel efecto Kerr (ya sea electro-ptico o magneto cuadrtica
cuadrticaptica).Si se utilizan estos circuitos como un medio Kerr,
se podra llevar a cabouna variedad de la ptica no lineal
experimentos, por ejemplo, micro acoplamientoonda fotones,
implementar puertas cunticas de qubits de fotones, y per-formando
mediciones QND.Circuitos superconductores podra tener muchasotras
aplicaciones.Por ejemplo, se ha sugerido que un coplanarla gua de
ondas con el conductor central reemplazado por una serie de
SQUIDspodra ser utilizado para simular la radiacin Hawking88.De
hecho, superconductorcircuitos tienen la ventaja de permitir el
estudio de controlable complejodinmica cuntica.Esto podra llevar a
simulaciones cunticas y en el chipestudios de fsica de muchos
cuerpos.Numerosos nuevos fenmenos y aplicacinlas seguirn siendo
descubierto usando circuitos superconductores, ystos desempearn un
papel importante en las futuras tecnologas cuntica