用于量子器件测量的低温微波装置。图片来源：Qinu GmbH，qinu.de

来自Forschungszentrum Jülich和卡尔斯鲁厄理工学院的物理学家发现，约瑟夫森隧道结 - 超导量子计算机的基本组成部分 - 比以前认为的要复杂得多。

就像乐器中的泛音一样，谐波叠加在基波模式上。因此，校正可能会导致量子比特的稳定性提高两到七倍。研究人员用来自全球多个实验室的实验证据来支持他们的发现，包括科隆大学、巴黎高等师范学院和纽约的IBM Quantum。

这一切都始于 2019 年，当时 Dennis Willsch 博士和 Dennis Rieger（当时来自 FZJ 和 KIT 的两名博士生，也是发表在《自然物理学》上的一篇新论文的共同第一作者）很难理解他们使用约瑟夫森隧道交汇点的标准模型进行的实验。这个模型为布莱恩·约瑟夫森赢得了1973年的诺贝尔物理学奖。

由Ioan Pop教授领导的团队兴奋地发现了这一点，他们仔细研究了巴黎高等师范学院和纽约IBM Quantum的27量子比特设备以及先前发表的实验数据。科隆大学的研究人员独立地观察到他们的数据与标准模型的类似偏差。

“幸运的是，Gianluigi Catelani参与了这两个项目并意识到了重叠，他将研究团队聚集在一起，”FZ Jülich的Dennis Willsch博士回忆道。“时机非常完美，”科隆大学的Chris Dickel博士补充道，“因为当时，我们正在探索同一潜在问题的完全不同的后果。

约瑟夫森隧道结由两个超导体组成，中间有一个薄的绝缘势垒，几十年来，这些电路元件一直用简单的正弦模型来描述（见下图）。

底部：通过用微波信号激发超导电路（黄色/蓝色）（红色摆动箭头），研究人员可以分析描述电路约瑟夫森隧道结的基本方程。右图：研究观察到与正弦标准模型（绿色曲线）存在显著偏差（红色曲线）。左图：由两个超导体（黄色/蓝色）组成的隧道结的放大示意图，中间有一个薄的绝缘屏障。大的导通通道（红色环路）可能是观察到的与标准模型的偏差的原因。图片来源：Dennis Rieger/Patrick Winkel，KIT

然而，正如研究人员所证明的那样，这个“标准模型”无法完全描述用于构建量子比特的约瑟夫森结。相反，需要一个包含高次谐波的扩展模型来描述两个超导体之间的隧穿电流。该原理也可以在音乐领域找到。当乐器的琴弦被敲击时，基频被几个谐波泛音覆盖。

Dennis Rieger评论说：“令人兴奋的是，社区中的测量已经达到了精确的水平，我们可以将这些小的修正解析为一个被认为已经足够超过15年的模型。

当四位协调教授——来自KIT的Ioan Pop和来自FZJ的Gianluigi Catelani、Kristel Michielsen和David DiVincenzo——意识到这些发现的影响时，他们汇集了实验家、理论家和材料科学家的大量合作，共同为约瑟夫森谐波模型提出了一个令人信服的案例。

在《自然物理学》的出版物中，研究人员探索了约瑟夫森谐波的起源和后果。“作为直接后果，我们相信约瑟夫森谐波将通过将误差减少到一个数量级来帮助设计更好、更可靠的量子比特，这使我们离完全通用的超导量子计算机的梦想更近了一步，”两位第一作者总结道。

更多信息：Dennis Willsch 等人，隧道结中约瑟夫森谐波的观察，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02400-8