Physicists from Forschungszentrum Jülich and the Karlsruhe Institute of Technology have uncovered that Josephson tunnel junctions—the fundamental building blocks of superconducting quantum computers—are more complex than previously thought.
Forschungszentrum Jülich和卡尔斯鲁厄理工学院的物理学家发现，约瑟夫逊隧道结——超导量子计算机的基本组成部分——比以前想象的更复杂
就像乐器中的泛音一样，谐波叠加在基本模式上。因此，校正可能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，这些实验室包括科隆大学、巴黎高等师范学院和纽约IBM Quantum。
这一切始于2019年，当时来自FZJ和KIT的两名博士生Dennis Willsch和Dennis Rieger是发表在《自然物理学》上的一篇新论文的联合第一作者，他们很难理解使用约瑟夫逊隧道结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教授领导的团队很高兴能弄清真相，仔细研究了巴黎高等师范学院和纽约IBM Quantum的27量子位设备的进一步数据，以及之前发表的实验数据。科隆大学的研究人员独立地观察到了他们的数据与标准模型的类似偏差
FZ Jülich的Dennis Willsch博士回忆道：“幸运的是，Gianluigi Catelani参与了这两个项目，并意识到了重叠，他将研究团队召集在了一起。”。科隆大学的Chris Dickel博士补充道：“时机非常完美，因为当时我们正在探索同一个潜在问题的截然不同的后果。”
然而，正如研究人员所证明的那样，这个“标准模型”未能完全描述用于构建量子比特的约瑟夫逊结。相反，需要一个包括高次谐波的扩展模型来描述两种超导体之间的隧道电流。这一原理也可以在音乐领域找到。当乐器的琴弦被敲击时，基频会被几个谐波覆盖
Dennis Rieger评论道：“令人兴奋的是，社区中的测量已经达到了我们可以对一个已经被认为足够使用了15年多的模型进行这些小的校正的精度水平。”
当四位协调教授——KIT的Ioan Pop和FZJ的Gianluigi Catelani、Kristel Michielsen和David DiVincenzo——意识到这些发现的影响时，他们召集了实验学家、理论家和材料科学家的大规模合作，共同努力为约瑟夫逊谐波模型提供了一个令人信服的案例
在《自然物理学》杂志上，研究人员探讨了约瑟夫逊谐波的起源和后果。两位第一作者总结道：“直接的结果是，我们相信约瑟夫逊谐波将有助于通过减少高达一个数量级的误差来设计更好、更可靠的量子比特，这使我们离实现完全通用的超导量子计算机的梦想又近了一步。”