右图：由大电容器分流的单个 d 波结的 flowermon 量子比特设计。左图：扭转角度接近 45° 的阶数参数结构。图片来源：Brosco 等人

量子技术在一些高级优化和计算任务上可以胜过传统计算机。近年来，物理学家一直在努力确定创建量子系统和有前途的量子比特（即量子计算机中的基本信息单位）的新策略。

CNR复杂系统研究所（Consiglio Nazionale delle Ricerche）、马克斯·普朗克固体化学物理研究所和全球其他研究所的研究人员最近推出了一种新的超导和电容分流量子比特，他们称之为“flowermon”。这个量子比特在《物理评论快报》中介绍，是基于扭曲的铜酸盐范德华异质结构。

“这个项目是一个很好的机会，在尝试将我们不同专业知识的语言结合到对话中，”该论文的合著者Uri Vool告诉 Phys.org。“最初的动机是我们的合作者Nicola Poccia最近的工作，他能够实现'扭曲的范德华异质结构'，他们可以控制新型铜酸盐超导体BSCCO中各个层之间的角度，而不会破坏其独特性能。

“Nicola Poccia问我和Valentina Brosco，这是否可以以任何方式用作量子技术的量子比特或设备。起初我持怀疑态度，但这导致了瓦伦蒂娜和我之间的几次头脑风暴会议，最终集中在我们论文中提出的想法上。

大多数旨在创建量子超导电路的实验都采用了传统和广泛研究的超导材料，例如铝或铌。然而，在2000年左右，一些理论物理学家探索了引入噪声保护超导电路的想法，该电路利用了非常规超导体的独特对称性。

由于在当时在实验环境中实现这个想法似乎不可行，这些理论工作被放弃了几年。Vool、Poccia、Brosco及其同事最近的研究将这个想法带回了一个新的超导量子比特。

“随着超导电路的发展，有几种建议通过以对称的方式设计电路元件来创建具有噪声保护的电路，”Vool说。“这些想法非常有趣，但实验实施总是具有挑战性，因为缺陷，例如，电路元件的相对电感或它们形成的环路中施加的磁通量破坏了对称性并降低了它们的性能。

“在花兽中，我们注意到使用扭曲范德华铜酸盐异质结构的简单电路也提供了这种保护，这种保护来自材料本身的对称性，而不是电路的位置。”

该研究团队引入的量子比特 flowermon 的独特结构和特性可以大大增强超导电路的鲁棒性，因为它消除了调谐或通量的需要。在之前专注于受保护电路的研究工作的基础上，Vool和他的同事们展示了具有内在对称性的材料在创建量子超导系统方面的潜力。

“我们的工作表明，使用具有固有对称性的材料而不是工程对称性会产生一个不需要微调的鲁棒量子比特，”Vool解释说。“Flowermon 将使用非常规超导体用于受保护的量子电路的旧想法现代化，并将其与新的制造技术和对超导电路相干性的新理解相结合。”

研究人员引入的新量子比特基本上由单个BSCCO van der Waals Josephson结组成。该结的扭转角约为 45°，由一个大电容器和一个读出超导谐振器分流。

“尽管它很简单，但阶参数独特的扭曲d波性质允许flowermon以奇偶校验保留特征态编码信息，”该论文的合著者Valentina Brosco说。“理想情况下，这比众所周知的transmon在弛豫时间上提高了几个数量级。此外，实验中展示的对扭曲角度的控制表明，与标准d波结中发生的情况相反，在花朵中，准粒子诱导的耗散受到指数抑制。

花兽的简单设计利用了约瑟夫森隧道的复杂和奇特特征，在两片薄薄的BSCCO之间以相对扭曲的角度进行隧道掘进。

新量子比特的另一个优点是其独特的光谱结构，可以操纵电路量子电动力学（cQED）和读出方案。

“我认为花兽很好地说明了通过在量子器件中集成复杂材料和异质结构可以实现的新兴功能，特别是在超导电路领域，”Brosco说。“我发现非常有趣和令人着迷的是，flowermon电路的强度内置于多体波函数中，该波函数导致具有占主导地位的两铜对隧穿项的电流相位关系。”

与其他通过复杂电路工程实现的奇偶校验保护量子比特相比，flowermon依赖于自然发生的物理机制。据报道，这种独特设计的鲁棒性可以激发其他物理学家探索扭曲范德华铜酸盐异质结构在创建超导电路方面的潜力。

“花兽背后的想法可以向几个方向扩展：寻找产生类似效果的不同超导体或结，探索实现基于花兽的新型量子器件的可能性，”布罗斯科说。这些设备将结合量子材料和相干量子电路的优点，或者使用flowermon或相关设计来研究复杂超导异质结构的物理学。

Vool、Brosco和他们的合作者现在计划进行更多的理论和实验研究。在他们的理论工作中，他们计划解决他们引入的电路的各个方面。

值得注意的是，flowermon电路为拓宽对使用量子电路的非常规超导体的理解开辟了一条新的可能途径。这是高度相关的，因为这些材料的性质仍然是凝聚态物理学中最大的谜团之一。

“这只是利用材料的固有特性制造新量子器件的第一个简单具体例子，我们希望在此基础上再接再厉，找到更多例子，最终建立一个将复杂材料物理与量子器件相结合的研究领域，”Vool补充道。

“从实验上讲，实施这一提议还有很多工作要做。我们目前正在制造和测量集成这些范德华超导体的混合超导电路，并希望利用这些电路来更好地了解材料，并最终设计和测量受保护的混合超导电路，使其成为真正有用的设备。

更多信息：Valentina Brosco 等人，基于扭曲铜酸盐范德华异质结构的超导量子比特，Physical Review Letters （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.017003.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2308.00839

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv