Berardo Ruggiero1, Carmela Bonavolontà1, Gianluca Coda1, Alessio Crescitelli1, Valentina Di Meo1, Emanuela Esposito1, Massimo Valentino1, Paolo Vanacore1, Claudio Gatti2, Emanuele Enrico3, Luca Fasolo3, Giorgio Brida3, Mikhail Fistoul4, Gregor Olsner5, Francesco Romeo6, Paolo Silvestrini7,1, Mikhail Lisitskiy8
1. ISASI CNR ,Via Campi Flegrei 34, I- 80078, Pozzuoli (Naples), Italy
2. LNF INFN , Via Enrico Fermi 54, I- 00044 , Frascati (Rome), Italy
3. INRiM, Strada delle Cacce 91, I-10135 , Turin Italy
4. Ruhr University Bochum, Universitätsstraße 150, D-44801, Germany
5. Leibniz Institute of Photonic Technology, Albert-Einstein-Straße 9, D-07745 Jena, Germany
6. Università degli Studi di Salerno, Via Giovanni Paolo II 132, I- 84084 Fisciano (Salerno), Italy
7. Università della Campania “Luigi Vanvitelli”, Viale Lincoln 5 I-81100 Caserta
8. SPIN CNR ,Via Campi Flegrei 34, I- 80078, Pozzuoli (Naples), Italy
Abstract
Si è effettuato uno studio teorico e sperimentale sulla dinamica quantistica collettiva di un network di qubit superconduttivi incorporato in un risonatore in regime di sostanziale disordine
Si è effettuato uno studio teorico e sperimentale della dinamica quantistica collettiva di un network di qubit superconduttivi (SQN) incorporato in un risonatori in regime di sostanziale disordine (Fig.1a). Uno stato collettivo si verifica quando l’interazione tra i qubit supera il disordine nelle frequenze dei qubit, il che dà luogo ad un drastico aumento dell’ampiezza della risonanza dominante. Inoltre, quando l’SQN è accoppiato ai fotoni della cavità, la frequenza di risonanza dominante cambia sostanzialmente a seconda del numero di fotoni, a causa di un effetto ac-Stark collettivo (Fig.1 b) e c)). È stata condotta un’indagine teorica e una realizzazione sperimentale di un dispositivo quantistico con 10 qubit superconduttori. Sono stati progettati, fabbricati (Fig.1) e testati dispositivi SQN a due risonatori di tipo T con 10 qubit di flusso a temperature ultra-basse (15 mK) in termini di misure a microonde dei parametri di scattering e color plot (Fig.1) . È stato osservato uno spostamento sostanziale del drop risonante nel coefficiente di trasmissione indotto dal segnale di secondo tono, e questo effetto può essere spiegato dal modello basato su un’interazione multifotone non lineare tra il segnale a microonde e i qubit dell’SQN ( Fig. 1).
Fig.1 (a) immagine SEM di un dispositivo a tre terminali con 10 qubit di flusso shuntati capacitivamente (b) Coefficiente di trasmissione del primo tono (S21) in funzione della frequenza VNA registrato a diverse potenze del segnale di secondo tono di frequenza di 7,443 GHz e applicato alla porta 3 (T=15 mK, campo magnetico zero). (c) Dipendenza della posizione in frequenza della caduta risonante riportata in (b) in funzione della potenza del segnale del secondo tono
L’attività scientifica ha riguardato anche studi sperimentali e teorici di nuove topologie di network Josephson 2D superconduttori e la loro analisi nell’ottica della ricerca di stati collettivi quantistici tenendo conto del fenomeno di condensazione di Bose e delle loro connessioni con stati collettivi entanglement in SQN con topologie non convenzionali. Sono state proposte attività di studio teorico e sperimentale volte ad esaminare la risposta di network di qubit superconduttori di nuove architetture. Recentemente sono stati misurati SQN comprendenti 5 qubit con 4 giunzioni Josephson (Fig. 2). È stato studiato anche un confronto tra topologie SQN “lineari” e “a croce”.
Fig.2 La risonanza dominante ottenuta nella dipendenza di S21 in funzione della frequenza e l’oscillazione del campo magnetico di S21 indicano la presenza di una forte interazione a lungo range tra i qubit che porta allo stato collettivo quantistico.
Ricerca riportata come highlights su NQSTI https://nqsti.it/news/demonstration-quantum-networks-qubits-highly-entangled-quantum-phases
Acknowledgements
This activity is partially supported from the PNRR MUR National Quantum Science and Technology Institute – NQSTI (Partenariato Esteso 04: Scienze e Tecnologie Quantistiche PE0000023-Spoke 6) and has received funds from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under Grant Agreement No. 863313 (SUPERGALAX).
Contacts: Berardo Ruggiero
References
C. Gatti et al., “Coherent Quantum Network of Superconducting Qubits as a Highly Sensitive Detector of Microwave Photons for Searching of Galactic Axions,” in IEEE Transactions on Applied Superconductivity 33 (5), p. 1501705, (August 2023) – doi: 10.1109/TASC.2023.3263807
E. Enrico et al. “Supeconducting qubit network as a single microwave photon detector for Galactic Axion search” in IEEE Transactions on Applied Superconductivity 34 (3), p. 1500306, (May 2024) – doi: 10.1109/TASC.2023.3340640