Despite remarkable progress over th

Despite remarkable progress over the past few decades, it remains unclear what form quantum computers will eventually take. Different kinds of quantum bits, or qubits, exist today, but the ideal qubit has yet to emerge. The challenge is that a qubit must satisfy contradictory requirements: It must be isolated from its environment to preserve quantum coherence, but also retain enough coupling to the outside world to enable manipulation and measurement. One possible solution is to combine the advantages of several types of qubits in hybrid architectures.
Two independent groups have now demonstrated a new qubit scheme, consisting of two superconductors bridged by a nanowire, that could help researchers design quantum circuits with more flexibility. The teams, led by Leonardo DiCarlo at Delft University of Technology in the Netherlands [1] and Charles Marcus at the University of Copenhagen in Denmark [2], have demonstrated structures in which the nanowire replaces one of the basic elements of a superconducting qubit—the insulating barrier between two superconductors that forms a Josephson junction. The scheme enables the control of the junction properties by an applied electric field, which will lead to superconducting qubits that are easy to tune. The structure might also provide a way to combine the controllability of superconducting qubits with the long coherence times of solid-state spins or future topological qubits.
Today, the most common superconducting qubit is the “transmon” qubit, which consists of a Josephson junction in parallel with a capacitor [3]. The Josephson junction is a superconducting wire interrupted by a short, usually insulating, segment called a “weak link.” The junction serves two purposes. First, it acts as a nonlinear inductor, which, in combination with the capacitor, forms an anharmonic electromagnetic oscillator, whose energy levels are not equally spaced. The oscillator’s ground and first excited states define the |0⟩ and |1⟩qubit states that can be manipulated with radio-frequency pulses. Second, the junction allows the control of the qubit resonance frequency. If two junctions are combined in a superconducting loop, the flux of an applied magnetic field through the loop affects the qubit resonance. Tuning the qubit frequency is crucial for many applications: it allows researchers to single out one qubit within an ensemble, entangle multiple qubits by bringing them briefly into resonance, and prevent cross talk in groups of qubits carrying out independent logic operations.
Josephson junctions are typically made from aluminum (Al) superconducting wires and an aluminum oxide barrier. Both groups have instead made transmon qubits in which the aluminum/aluminum oxide junction is replaced by an indium-arsenide (InAs) semiconductor nanowire bridging two superconductors (see Fig. 1). InAs nanowires are ideal for this purpose because they are relatively easy to grow as single crystals and to integrate into superconducting circuits. In particular, the electronic surface states of InAs nanowires enable nearly lossless contacts to a superconductor [4]. To contact the nanowire, Di Carlo’s team uses NbTiN, a superconductor with a high critical magnetic field, while Marcus’ group uses epitaxially grown Al [5].
The teams exploit the semiconducting properties of InAs to tune the qubit resonance frequency by applying an electric field to the nanowire via a nearby gate electrode. The field changes the density of the conduction electrons in the nanowire, shifting the qubit resonance [4]. Both groups demonstrate that an applied gate voltage on the order of 10 volts shifts the qubit frequency over a wide range, from hundreds of megahertz to several gigahertz. These voltage-based tuning schemes significantly simplify the qubit architecture compared to conventional transmon qubits, which require two junctions instead of one as well as on-chip circuitry for generating the tuning magnetic field.
To allow the readout and manipulation of qubits, the researchers embedded the qubit in a cavity—a high-quality-factor superconducting resonator [6]. Both groups demonstrate that the coupling between the nanowire transmons and the cavity can enter the so-called strong-coupling regime of cavity quantum electrodynamics, in which microwave photons in the cavity are strongly coupled to the qubit states. When the qubit and cavity are brought into resonance, a clear hybridization is observed, i.e., the qubit and the cavity behave as a single quantum-mechanical system. In such a regime, the qubit-cavity coupling exceeds the coupling of either the qubit or the cavity to the environment, meaning that individual quanta of energy can be coherently swapped between the qubit and cavity.
Marcus and his collaborators also provide a full characterization of the quantum control achievable with their qubit. They initialize the qubit to the |0⟩ state, then apply a microwave field that creates a coherent |0⟩−|1⟩superposition, and measure how long the coherent superposition can be maintained. They observe a coherence time of roughly 1 microsecond ( μs). This value is less than that of state-of-the art Al transmons (exceeding 10μs), but still impressive for this first-generation device. In a computing scheme, such a value implies that roughly 5000 coherent qubit operations can be carried out before the qubit coherence is lost.
These nanowire-based schemes represent an important step toward the creation and understanding of hybrid systems for quantum information processing, offering a promising route for realizing voltage-tuned superconducting qubits. Compared to existing flux-controlled schemes, whose tuning requires flowing currents that dissipate power, the new qubits would be more scalable to larger architectures. Further research, however, needs to assess whether the coherence times can reach those of standard superconducting qubits. But the unique properties of nanowire junctions will be an asset for a number of other applications, such as the study of proximity effects at superconductor/semiconductor interfaces. Another prospect is the possibility of combining these qubits with other types of qubits or quantum systems. These electrically tuned nanowire transmons may be operated at higher magnetic fields than conventional qubits (in particular Di Carlo’s scheme, based on NbTiN, which can withstand much higher magnetic fields than Al without losing superconductivity). This will allow researchers to use them in combination with spin qubits, whose control requires large magnetic fields that would perturb a flux-controlled transmon qubit.
But the most intriguing possibility involves Majorana fermions. These exotic quasiparticles could be used to build a topological quantum computer, in which logic operations take place by “braiding” particles [7]. Researchers believe that InAs nanowires, such as those used to make Josephson junctions in these papers, can host Majoranas [8]. While topological qubits by themselves are not sufficient to build a universal quantum computer [7], recent work has suggested that this could be done by coupling topological qubits to transmons [9]. The new nanowire schemes demonstrated by the groups of DiCarlo and Marcus pose an ideal platform to test such ideas.

Results (Russian) 1:

Несмотря на значительный прогресс за последние несколько десятилетий остается неясным, что в конечном итоге примет форму квантовых компьютеров. Существуют различные виды квантовых битов или кубитов, сегодня, но идеальный кубит еще выйти. Задача состоит в том что кубит должны удовлетворить противоречивым требованиям: она должна быть изолирована от своей окружающей среды для сохранения согласованности квантовой, но также сохранять достаточно связь с внешним миром, чтобы включить манипуляции и измерения. Одним из возможных решений является объединить преимущества нескольких типов кубитов в гибридных архитектурах.Теперь две независимые группы продемонстрировали новую схему кубит, состоящий из двух сверхпроводников, мостовой с нанопроволоки, которые могли бы помочь исследователи дизайн квантовой цепей с большей гибкостью. Команды, во главе с Leonardo Дикарло в Делфте технологический университет в Нидерландах [1] и Чарльз Маркус в университете Копенгагена в Дании [2], продемонстрировали структур, в которых нанопроволоки заменяет один из основных элементов сверхпроводящих кубит — изолирующий барьер между двумя Сверхпроводники, которые образует Джозефсона junction. Схема позволяет элементу управления свойства соединения, применяемым электрическим полем, которое приведет к сверхпроводящих кубитов, которые легко настроить. Структуры могут также предоставляют способ объединить управляемость сверхпроводящих кубитов с длиной согласованности раз твердотельных спинов или будущих топологических кубитов.Сегодня наиболее распространенные сверхпроводящих кубит является кубит «transmon», которая состоит из Джозефсона junction параллельно с конденсатора [3]. Перекрестка Джозефсона является сверхпроводящие провода прерван короткие, обычно изолирующие, сегмент, называется «слабое звено». Джанкшен служит двум целям. Во-первых он действует как нелинейной индуктивности, который, в сочетании с конденсатором, образует ангармонического электромагнитные осциллятор, чей уровень энергии не одинаковом. Осциллятор земли и первый возбужденных состояний определяют |0⟩ и |1⟩qubit государств, которые могут манипулировать с радио частоты импульсов. Во-вторых перекрестка позволяет контролировать кубит резонансной частоты. Если два объединяются в цикле сверхпроводящих, поток прикладной магнитного поля через цикл влияет на кубит резонанс. Настройки частоты кубит имеет решающее значение для многих приложений: Это позволяет исследователям выделить один кубит внутри ансамбля, втянуть несколько кубитов путем привлечения их кратко в резонанс и предотвратить помехи в группах кубитов, проведение независимых логических операций.Джозефсона узлы обычно сделаны из сверхпроводящие Провода алюминиевые (Al) и оксида алюминия барьер. Обе группы вместо этого сделали кубитов transmon, в котором перекрестка Алюминий/Алюминий оксид заменяется на арсениде Индия (InAs) полупроводниковые нанопроволоки, преодоление два сверхпроводников (см. рис. 1). InAs нанопроволоки идеально подходит для этой цели, потому что они сравнительно легко расти как монокристаллов и интегрировать в сверхпроводящих цепей. В частности электронные поверхности государства InAs нанопроволоки позволить почти без потерь контактов для сверхпроводника [4]. Чтобы связаться с нанопроволоки, Di Carlo команда использует NbTiN, сверхпроводника с высокой критического магнитного поля, в то время как Маркус группа использует epitaxially выросли Аль [5].Команды использовать полупроводниковые свойства InAs для настройки частоты резонанса кубит, применяя электрического поля нанопроволоки через близлежащие ворота электрода. Поле изменения плотности электронов проводимости в нанопроволоки, сдвиг кубит резонанс [4]. Обе группы демонстрируют, что прикладной ворота напряжения порядка 10 вольт сдвигает кубит частоты в широком диапазоне, от сотен мегагерц для нескольких гигагерц. Эти настройки напряжения схемах значительно упростить кубит архитектуры, по сравнению с обычными transmon кубитов, который требует два соединения вместо одно также как на чипе схемы для создания настройки магнитного поля.Чтобы разрешить индикации и манипуляции кубитов, исследователи встроенных кубит в полости — высокий качество фактор сверхпроводящие резонатором [6]. Обе группы демонстрируют, что связь между нанопроволоки transmons и полость можно ввести так называемый режим прочного сцепления полости квантовой электродинамики, в котором СВЧ фотонов в полости будут тесно связаны кубит государств. Когда кубит и полости в резонанс, наблюдается четкое гибридизации, т.е. кубит и полость ведут себя как единая система квантово механических. В таком режиме кубит полость муфты превышает муфта кубит или полость в окружающую среду, что означает, что отдельные квантов энергии можно когерентно сменил между кубит и полости.Маркус и его коллеги также обеспечивают полную характеристику элемента квантовой достижимые с их кубит. Они инициализировать кубит в |0⟩ состояние, а затем применить микроволновое поле, которое создает согласованную |0⟩−|1⟩superposition и измерить, как долго может сохраняться последовательной суперпозиция. Они соблюдают согласованности время примерно 1 микросекунда (μs). Это значение меньше, чем у государства оф-арт Аль transmons (выше 10μs), но по-прежнему впечатляет для этого первого поколения устройства. В вычислительной системы такое значение подразумевает, что примерно 5000 последовательной кубит операции могут осуществляться перед согласованности кубит теряется.Эти схемы страхования, основанные на нанопроволоки представляют собой важный шаг в направлении создания и понимания гибридных систем для квантовой обработки информации, предлагая перспективные маршрут для реализации напряжения настроенный сверхпроводящих кубитов. По сравнению с существующей схемы под контролем потока, чьи настройки требуется пропуская токи, которые рассеивания власти, новый кубитов будет более масштабируемой больше архитектур. Дальнейшие исследования, однако, необходимо оценить ли раз согласованности может достигать тех стандартных сверхпроводящих кубитов. Однако уникальные свойства соединения нанопроволоки будет актива для ряда других приложений, таких как изучение непрямых эффектов в сверхпроводник/полупроводниковые интерфейсов. Другая перспектива является возможность объединения этих кубитов с другими типами кубитов или квантовых систем. Эти электрически настроены нанопроволоки, transmons может работать на более высоких магнитных полей чем обычные кубитов (в частности Di Carlo схему, основанную на NbTiN, который может выдержать гораздо выше магнитные поля чем Аль не теряя сверхпроводимости). Это позволит исследователям использовать их в сочетании с спин кубитов, чьи управления требует больших магнитных полей, которые бы возмущают кубит под контролем потока transmon.But the most intriguing possibility involves Majorana fermions. These exotic quasiparticles could be used to build a topological quantum computer, in which logic operations take place by “braiding” particles [7]. Researchers believe that InAs nanowires, such as those used to make Josephson junctions in these papers, can host Majoranas [8]. While topological qubits by themselves are not sufficient to build a universal quantum computer [7], recent work has suggested that this could be done by coupling topological qubits to transmons [9]. The new nanowire schemes demonstrated by the groups of DiCarlo and Marcus pose an ideal platform to test such ideas.

Results (Russian) 2:

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый за последние несколько десятилетий, остается неясным, в какой форме квантовые компьютеры будут в конечном итоге принять. Различные виды квантовых битов, или кубитов, существует сегодня, но идеал кубит еще появляться. Задача состоит в том, что кубит должны удовлетворять противоречивым требованиям: Он должен быть изолирован от окружающей среды, чтобы сохранить квантовую когерентность, но также сохранить достаточно сцепление с внешним миром для того, чтобы манипуляции и измерения. Одним из возможных решений является объединить преимущества нескольких типов кубитов в гибридных архитектур.
Две независимые группы в настоящее время продемонстрировал новую схему кубит, состоящий из двух сверхпроводников перекрывается нанопроволоки, которые могли бы помочь исследователям разработать квантовые схемы с дополнительной гибкости. Команды, возглавляемые Леонардо ди Карло в Техническом университете Делфта в Нидерландах [1] и Чарльз Маркус в Университете Копенгагена в Дании [2], показали, структуры, в которых нанопроволоки замещает один из основных элементов сверхпроводящего qubit- изолирующий барьер между двумя сверхпроводниками, что образует соединение Джозефсона. Схема позволяет управлять свойствами соединительных по приложенного электрического поля, что приведет к сверхпроводящих кубитов, которые легко настроить. Структура может также обеспечить способ совместить управляемость сверхпроводящих кубитов с длительным временем когерентности твердом состоянии вращается или будущих топологические кубитов.
Сегодня, наиболее распространенным сверхпроводящий кубит является "transmon" кубит, который состоит из перехода Джозефсона в параллельно с конденсатором [3]. Джозефсона узел является сверхпроводящий провод прерывается коротким, как правило, изоляционного, сегмента называется "слабое звено". Соединение служит двум целям. Во-первых, он действует в качестве нелинейной индуктивности, которая, в сочетании с конденсатором, образует ангармонического электромагнитного осциллятора, энергия которого уровни не равномерно распределены. Земля осциллятора и первого возбужденного состояний определяют | | 0⟩ и 1⟩qubit состояния, которыми можно манипулировать с радиочастотными импульсами. Во-вторых, переход позволяет контролировать кубит резонансной частоте. Если два узлы объединены в сверхпроводящем контуре, поток внешнего магнитного поля через петлю влияет Кубит резонанс. Тюнинг частота кубит имеет решающее значение для многих приложений:. Это позволяет исследователям выделить один кубит в ансамбле, опутывают нескольких кубитов, принося их кратко в резонанс, и предотвратить перекрестные помехи в группах кубитов, осуществляющих независимые логические операции
Джозефсона, как правило, сделаны из алюминия (Al) сверхпроводящих проводов и оксида алюминия барьер. Обе группы, а не сделал transmon кубитов, в котором алюминий / оксид алюминия узел заменяется индия-арсенида (InAs) полупроводниковый нанопроволоки мостовую два сверхпроводника (см. 1). InAs нанопроволоки идеально подходят для этой цели, потому что они являются относительно легко выращивать в виде монокристаллов и интегрироваться в сверхпроводящих контуров. В частности, электронные поверхностные состояния InAs нанопроводов позволяют почти без потерь контакты сверхпроводника [4]. Чтобы связаться с нанопроволоки, команда Ди Карло использует NbTiN, сверхпроводник с высокой критической магнитного поля, в то время как группа Маркуса использует эпитаксиально выращенных Аль [5].
Команды используют полупроводниковые свойства InAs, чтобы настроиться на кубит резонансную частоту, применяя электрический поле нанопроволоки через соседний электрод затвора. Поле меняет плотность электронов проводимости в нанопроволоки, сдвигая кубит резонанс [4]. Обе группы демонстрируют, что приложенное напряжение затвор порядка 10 вольт сдвигает частоту кубит в широком диапазоне, от сотен мегагерц до нескольких гигагерц. Эти схемы настройки напряжения на основе существенно упростить архитектуру кубит по сравнению с обычными transmon кубитов, которые требуют два перехода вместо одного, а также на чипе цепь дл генерации магнитного поля настройки.
Чтобы разрешить считывание и обработку кубитов, исследователи встроен кубит в полость-высокого качества фактором сверхпроводящего резонатора [6]. Обе группы показали, что связь между нанопроводов transmons и полости могут ввести так называемый режим сильной связи в квантовой электродинамике резонатора, в котором СВЧ фотонов в полости сильно связан с кубита. Когда кубит и полость вводятся в резонанс, ясно гибридизации наблюдается, то есть кубитов и полость ведут себя как единый квантовой системы. В таком режиме, кубит-полости муфты превышает сцепление либо кубите или полости с окружающей средой, что означает, что отдельные кванты энергии могут быть когерентно местами между кубите и полости.
Marcus и его сотрудниками также обеспечивают полную характеристику квантовая управления достижимо с их кубита. Они инициализации кубита к | 0⟩ государства, а затем применить СВЧ-поля, что создает целостную | | 0⟩- 1⟩superposition, и измерить, как долго когерентная суперпозиция может быть сохранен. Они наблюдают время когерентности примерно 1 мкс (мкс). Это значение меньше, чем государственно-оф-арт Al transmons (более 10 мкс), но по-прежнему впечатляет для этого первого поколения устройства. В вычислительной схемы, такое значение означает, что примерно 5000 когерентного кубитов операции могут быть проведены до кубит когерентность теряется.
Эти схемы нанопроводов на основе представляют собой важный шаг в направлении создания и понимания гибридных систем для обработки квантовой информации, предлагая Перспективным маршрутом для реализации напряжения настроены сверхпроводящих кубитов. По сравнению с существующими схемами потока контролируемой, чьи настройки требуется течет ток, что рассеивают мощность, новые кубитов будет более масштабируемой до больших архитектур. Дальнейшие исследования, однако, необходимо оценить ли раз когерентности может достигать тех стандартных сверхпроводящих кубитов. Но уникальные свойства нанопроволок переходов будет активом для ряда других приложений, таких как исследования эффектов близости в сверхпроводник / полупроводниковых интерфейсов. Другой перспективой является возможность объединения этих кубитов с другими типами кубитов или квантовых систем. Эти электрические настроенные нанопроводов transmons может работать при более высоких магнитных полей, чем обычные кубитов (в частности ди схемы Карло, основанного на NbTiN, которые могут выдерживать гораздо выше магнитные поля, чем Al, не теряя сверхпроводимость). Это позволит исследователям использовать их в сочетании со спиновыми кубитами, чьи контроль требует больших магнитных полей, которые бы возмущают магнитного потока контролируемой transmon кубит.
Но самым интригующим возможность связана майорановские фермионы. Эти экзотические квазичастицы могут быть использованы для построения топологической квантовый компьютер, в котором логические операции состоится на "плетения" частиц [7]. Исследователи полагают, что InAs нанопроволоки, такие как те, которые используются, чтобы сделать Джозефсона в этих работах, может принять майорановских [8]. В то время как топологические кубиты сами по себе не являются достаточными, чтобы построить универсальный квантовый компьютер [7], недавняя работа предположил, что это может быть сделано путем сочетания топологические кубитов в transmons [9]. Новые схемы нанопроволок демонстрировали по группам ДиКарло и Маркус представляют собой идеальную платформу для тестирования таких идей.

Results (Russian) 3:

Несмотря на значительный прогресс в течение последних нескольких десятилетий, она по-прежнему неясно, что формы квантовых компьютеров будут в конечном счете. различных квантовых бита, или аннотация: исследуется, сегодня существует, но идеальный алгебро еще не сформировалась. Задача заключается в том, что в алгебро должны удовлетворить противоречивые требования: она должна быть изолирована от ее окружающей среды для сохранения квантовой согласованности,Но также сохранить достаточно соединение для внешнего мира для того, чтобы манипуляции и измерения. Одно из возможных решений заключается в том, чтобы объединить преимущества несколько типов аннотация: исследуется в гибридной архитектуры.
два независимых групп уже продемонстрировали новый алгебро схемы, состоящей из двух сверхпроводников Bridged в nanowire, что могло бы помочь исследователям дизайн квантовой теории цепей с большей гибкостью.Группы, возглавляемой Леонардо Лиза дикарло (CIO Magazine) на Делфтского технологического университета в Нидерландах [ 1] и Чарльз Маркус в Университете Копенгагена (Дания [ 2], показали структур, в которых nanowire заменяет один из основных элементов сверхпроводящих алгебро-изолирующий барьер между двумя сверхпроводников, граничные условия перекрестка.Эта система позволяет контролировать соединение свойства, что электрическое поле, что приведет к сверхпроводящих аннотация: исследуется, которые легко настроить. Структура может также предоставить способ объединить контролируемость сверхпроводящих аннотация: исследуется с длинной последовательности раз твердотельных спины или будущих топологических аннотация: исследуется.
сегодня,