物理学：弹道石墨烯约瑟夫森结进入微波电路！
新型超导微波电路采用石墨烯约瑟夫森结。图片来源：TU Delft。
超导量子微波电路可以作为量子位，是未来量子计算机的构建模块。这些电路的关键部件，约瑟夫森结，通常使用氧化铝制成。代尔夫特理工大学量子纳米科学系的研究人员现已成功将石墨烯约瑟夫森结合并到超导微波电路中。他们的工作为超导和石墨烯的相互作用及其作为量子技术材料的可能性提供了新的见解。
量子计算机的基本构建块是量子比特或量子比特。与常规位（可以是1或0）不同，量子位可以是1，0或这两种状态的叠加。最后一种可能性，即位可以同时处于两种状态的叠加，允许量子计算机以经典计算机无法实现的方式工作。其影响是深远的：量子计算机将能够解决需要比普通计算机更长的问题才能解决的问题。
创建量子比特的方法有很多种。经过试验和测试的方法之一是使用超导微波电路。这些电路的设计可以使它们像谐波振荡器一样工作“如果我们在一侧放电，它将通过电感器来回振荡，”Gary Steele教授说。“我们从这种充电的不同状态中来回摆动我们的量子比特。”
量子微波电路的基本要素是所谓的约瑟夫森结，其可以例如由分离两层超导材料的非超导材料组成。成对的超导电子可以穿过这个屏障，从一个超导体到另一个超导体，导致超级电流无限长地流动而不施加任何电压。
在用于量子电路的最先进的约瑟夫森结中，薄弱环节是分隔两个铝电极的薄氧化铝层。“然而，这些只能通过使用磁场进行调整，可能导致串扰和片上加热，这可能会使它们在未来的应用中变得复杂，”Steele说。石墨烯提供了一种可能的解决方案。事实证明，它可承载超过微米距离的强大超级电流，可在高达几特斯拉的磁场中存活。然而，迄今为止这些装置仅限于直流（DC）应用。尚未探索微波电路中的应用，例如量子位或参量放大器。
具有石墨烯约瑟夫森结的新型超导微波电路的特写镜头。图片来源：TU Delft。
代尔夫特理工大学的研究小组将石墨烯约瑟夫森结合成了超导微波电路。通过在DC状态下表征它们的器件，他们发现它们的石墨烯约瑟夫森结具有弹道超电流，可以通过使用栅极电压进行调谐，从而防止器件升温。在利用微波辐射激励电路时，研究人员直接观察到结的约瑟夫森电感，这一点在石墨烯超导器件中直到达不到这一点。
研究人员认为石墨烯约瑟夫森结有可能在未来的量子计算机中发挥重要作用。“但是，它们是否可以制成可行的量子比特还有待观察，”斯蒂尔说。虽然石墨烯结足够用于构建量子比特，但它们不像基于氧化铝结的传统量子微波电路那样连贯，因此需要进一步开发该技术。但是，在不需要高相干性的应用中，门可调性现在可能很有用。其中一个应用是放大器，它在量子基础设施中也很重要。斯蒂尔：“我们对将这些器件用于量子放大器应用感到非常兴奋。”
作者已将手稿中发布的所有数据都提供在开放式存储库中，包括从仪器测量的数据路径。此外，研究人员还发布了所有用于测量数据，分析数据以及在开源许可证下绘制图表的软件。
