Una unión túnel superconductora formada por dos superconductores separados por una delgada barrera aislante que permite el túnel coherente de pares de Cooper; en circuitos cuánticos proporciona un elemento inductivo no lineal no disipativo caracterizado por una energía de Josephson y una relación corriente–fase, habilitando dinámicas de circuito cuantizadas y no lineales.

Principio

El túnel de pares de Cooper a través de la barrera da lugar a una corriente I = I_c sin(φ) y a un término de energía −E_J cos(φ) en el Hamiltoniano del circuito; la cuantización de las variables conjugadas (fase y carga) produce niveles de energía discretos y un espaciado anharmónico que puede explotarse para estados de qubit e interacciones no lineales.

Demostración

Integrar una unión Josephson en un resonador superconductivo para formar un qubit transmon: la no linealidad de la unión elimina la degeneración entre las transiciones |0⟩→|1⟩ y |1⟩→|2⟩, permitiendo direccionar el subespacio computacional de dos niveles con excitaciones de microondas.

Aplicación incorrecta

Modelar la unión como un simple inductor lineal o ignorar los mecanismos microscópicos de pérdida (cuasipartículas, fluctuadores de dos niveles, pérdidas dieléctricas), lo que conduce a predicciones demasiado optimistas de coherencia y rendimiento.

Consecuencia

Las uniones Josephson proporcionan la no linealidad esencial para los qubits superconductores, ofrecen sintonizabilidad cuando se integran en bucles SQUID y permiten interacciones paramétricas y puertas de alta fidelidad cuando se diseñan y controlan adecuadamente.

Inversión

Reemplazar la unión por un elemento inductivo lineal o eliminar la barrera produce un oscilador armónico sin la anharmonicidad necesaria para la operación de qubit, impidiendo el aislamiento de un subespacio de dos niveles.

Límite

Descripción válida a temperaturas muy por debajo de la brecha superconductora y para uniones en las que las escalas de energía de carga y fase justifican la cuantización del circuito; excluye el comportamiento clásico macroscópico de uniones por encima de corrientes críticas o en regímenes dominados por fuerte generación de cuasipartículas.

Tensión semántica

Tensión entre tratar la unión como un elemento de circuito no lineal lumped (conveniente y predictivo para diseño de circuitos) y como un dispositivo microscópico de túnel donde el entorno, las cuasipartículas y defectos microscópicos introducen correcciones y pérdidas.

Síntesis

Una unión Josephson en un circuito cuántico es el elemento túnel microscópico cuyo túnel coherente de pares de Cooper produce un término de energía no lineal no disipativo que, al cuantizarse con las capacitancias e inductancias del circuito, da lugar al espectro energético anharmónico y a las interacciones controlables utilizadas para construir qubits superconductores y dispositivos paramétricos.