Способ использования джозефсоновских инверторов фазы в схемах потоковых кубитов
METHOD FOR USING JOSEPHSON PHASE INVERTERS IN FLUX QUBIT CIRCUITS

Изобретение относится к сверхпроводниковым криоэлектронным устройствам и может быть использовано в схемах сверхпроводящих потоковых кубитов - элементах квантовых вычислительных систем.
Контролируемое смещение сверхпроводящей фазы с помощью активных (контрольных) токовых линий на подложке, задающих магнитный поток в элементарных ячейках, а также смещение фазы за счет использования различных пассивных инверторов сверхпроводящей фазы, сдвигающих фазу между двумя сверхпроводящими электродами инвертора на π, является необходимой частью процедуры использования цифровой и квантовой сверхпроводниковой (джозефсоновской) электроники. Включение в существующую архитектуру сверхпроводящих схем элементов для спонтанного сдвига сверхпроводящей фазы на π позволяет применять новые подходы, не связанные с использованием дополнительных токовых смещений и наличием в логических ячейках геометрической индуктивности. Отсутствие дополнительных токовых линий, задающих необходимые фазовые сдвиги в когерентных квантовых устройствах (кубитах) должно приводить к существенному уменьшению вносимых извне электромагнитных шумов и увеличению времен когерентности кубитов.
Известен способ сдвига сверхпроводящей фазы в сверхпроводниковых потоковых кубитах путем изменения величины магнитного поля, приложенного к кубиту («Superconducting persistent-current qubit» Т.Р. Orlando, J.E. Mooij, Lin Tian et al, Phys. Rev. B, 60, 15398, 1999).
Известен способ сдвига сверхпроводящей фазы на основе использования высокотемпературных сверхпроводников (патент США № US 2003/0027724 A1, G. Rose, et al, 06.02.2003 «Phase shift device in superconductor logic»). Для сдвига фазы на π используется фазосдвигающий элемент в виде тонкопленочной структуры из анизотропного сверхпроводника со сложной симметрией (симметрией сверхпроводящей волновой функции) сверхпроводящего параметра порядка или двух таких сверхпроводников, содержащих бикристаллическую границу. В первом случае фазосдвигающий элемент включается в кольцо кубита так, чтобы иметь контакт в различных кристаллографических направлениях анизотропного сверхпроводника.
Основным недостатком этого способа являются технологические сложности изготовления бикристаллических структур или контактов сверхпроводящих электродов с анизотропным сверхпроводником в различных кристаллографических направлениях, а также изготовление фазосдвигающего элемента на основе анизотропных сверхпроводников в рамках единой технологии совместно со сверхпроводящим кубитом.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому решению является способ сдвига сверхпроводящей фазы («Simple phase bias for superconducting circuits» J.B. Majer, J.R. Butcher, and J.E. Mooij, Appl. Phys. Lett. 80, 3638, 2002), использующий фазосдвигающий элемент в виде сверхпроводящего кольца с захваченным магнитным потоком, при этом ячейка потокового кубита замыкается на фазосдвигающий элемент в его диаметрально противоположных точках. Фазосдвигающий элемент имеет однослойную тонкопленочную структуру из любого, в том числе изотропного низкотемпературного сверхпроводника. В указанной работе было предложено использовать этот способ для смещения в рабочую точку сверхпроводниковых потоковых кубитов.
Основным недостатком этого способа является то, что при его запуске необходимо выполнение трудоемких предварительных операций, таких как, пропускание тока через специальную контрольную шину и нагревание сверхпроводящего кольца выше критической температуры для «размыкания» сверхпроводящего кольца на время, необходимое для вхождения в него кванта магнитного потока. При этом, существует вероятность захвата четного числа квантов магнитного потока, не меняющих разности фаз на электродах подключенного кубита, что делает фазосдвигающий элемент нефункциональным.
Заявляемое изобретение направлено на реализацию способа смещения сверхпроводящей фазы на π в схемах потоковых кубитов, не требующего использования дополнительных токовых линий или процедуры захвата магнитного потока в сверхпроводящем кольце, а также позволяющего использовать для изготовления фазосдвигающего элемента технологические методы, сходные с методами изготовления сверхпроводниковых кубитов.
Для достижения указанного выше технического результата по спонтанному сдвигу сверхпроводящей фазы без использования дополнительных токовых линий в структуру потокового кубита включается дополнительный слабоферромагнитный джозефсоновский барьер, который совместно с участками сверхпроводникового кольца потокового кубита образует инвертор сверхпроводящей фазы - джозефсоновский π-контакт. Указанный технический результат достигается благодаря тому, что вместо смещения сверхпроводящей фазы в кольце потокового кубита за счет приложения магнитного потока скачок фазы достигается на ферромагнитном участке этого кольца, который включается в кольцо дополнительно, образуя джозефсоновский π-контакт. Таким образом, способ использования джозефсоновских инверторов фазы для сдвига сверхпроводящей фазы при смещении в рабочий режим сверхпроводниковых потоковых кубитов характеризуется тем, что между двумя сверхпроводящими слоями кольца потокового кубита в качестве джозефсоновского инвертора фазы включается слой слабого ферромагнетика с усредненной мелкодоменной магнитной структурой с нулевой средней намагниченностью, обеспечивающий появление спонтанного полупериодического фазового сдвига в кольце кубита.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.
Пример.
x
ji
ji
ji
ji
ext
0
0
ext
0
Типичный пример сверхпроводникового потокового кубита схематически изображен на фиг. 1. Он включает три туннельных контакта (обычно туннельные переходы Al-AlO-Al) с параметрами E и C (где E - джозефсоновская энергия соответствующего туннельного контакта, a C - его емкость, i=1, 2, 3; j - условный номер потокового кубита), которые замыкаются в единый контур сверхпроводящим кольцом. Для задания необходимого для введения в рабочий режим магнитного потока через сверхпроводящее кольцо Ф=Ф/2 (где Ф - квант магнитного потока) через плечо W сверхпроводящего кольца или через токовую линию, специально изготовленную на чипе рядом с кубитом, пропускается электрический ток от внешнего источника. При этом, в сверхпроводящем кольце возникает сдвиг сверхпроводящей фазы ϕ равный 2πФ/Ф=π. Разность фаз π в кольце также можно создать, вставляя в плечо W сверхпроводящего кольца инвертор (элемент сдвига) сверхпроводящей фазы. В случае использования прототипа («Simple phase bias for superconducting circuits» J.B. Majer, J.R. Butcher, and J.E. Mooij, Appl. Phys. Lett. 80, 3638, 2002) в плечо W сверхпроводящего кольца, показанного на фиг. 1, необходимо встроить (вернее, дополнить в процессе изготовления потокового кубита) фазосдвигающий элемент, представленный на фиг. 2. Он представляет собой дополнительное сверхпроводящее кольцо, которое должно быть снабжено также специальными шинами для задания магнитного потока в кольце и нагревания сверхпроводящего кольца выше критической температуры для «размыкания» его на время, необходимое для вхождения в него кванта магнитного потока.
0.47
0.53
В предлагаемом решении в отличие от прототипа (фиг. 2) сверхпроводящий потоковый кубит, показанный на фиг. 1, замыкается на участке W просто через слой слабого ферромагнетика (фиг. 3), например, через слой сплава CuNi (состав сплава приведен в публикации «Fabrication of Optimized Superconducting Phase Inverters Based on Superconductor-Ferromagnet-Superconductor π-Junctions» V.V. Bolginov, A.N. Rossolenko, A.B. Shkarin, V.A. Oboznov. V.V. Ryazanov, Journ. Low Temp. Phys. 190, 302, 2018) толщиной 7-18 нм или, например, нанопроводом, сформированным из последовательно чередующихся ферромагнитных (F) и немагнитных (N) участков (фиг. 4) таким образом, что ферромагнитный участок имеет субмикронные размеры во всех направлениях (патент RU 2599904 С1, приоритет от 29.06.2015, Столяров B.C.). В обоих случаях на ферромагнитном участке достигается сдвиг сверхпроводящей фазы, равный π.
0.47
0.53
Выполненные в указанной работе (Journ. Low Temp. Phys. 190, 302, 2018) исследования также показали, что ферромагнитный сплав CuNi имеет усредненную мелкодоменную магнитную структуру с нулевой средней намагниченностью, что позволяет исключить дополнительные сдвиги сверхпроводящей фазы магнитной индукцией ферромагнетика и тем самым обеспечить сдвиг фазы точно на π.
Таким образом, благодаря тому, что в заявленном техническом решении сдвиг сверхпроводящей фазы при смещении в рабочий режим сверхпроводниковых потоковых кубитов осуществляется слоем слабого ферромагнетика с усредненной мелкодоменной магнитной структурой с нулевой средней намагниченностью, обеспечивается устранение недостатков ранее известных технических решений за счет включения джозефсоновского π-контакта непосредственно в структуру кубита.
Следует отметить, предлагаемый способ не требует использования сверхпроводников с симметрией сверхпроводящей волновой функции, дополнительных токовых линий в структуре или схеме потокового кубита для задания магнитного потока смещения, исключает дополнительные электромагнитные помехи и захват вихрей магнитного потока в электродах кольца кубита.