Quantum coherente manipulatie en uitlezing van suprageleidende vortextoestanden

Een nieuwe manier om kwantuminformatie op te slaan

Kwantumcomputers beloven problemen op te lossen die ver voorbij de mogelijkheden van huidige machines liggen, maar hun basiselementen — qubits — zijn fragiel en moeilijk te bouwen. Deze studie onthult een onverwacht nieuw type qubit dat verscholen ligt in suprageleidende materialen zelf: kleine draaikolken van magnetisch veld, vortices genoemd, die verrassend lange tijd stilletjes kwantuminformatie kunnen bewaren. Wat lange tijd als een hinderpaal werd gezien, kan door dit inzicht een bruikbare hulpbron worden, en zo nieuwe, eenvoudigere en robuustere wegen naar kwantumtechnologie openen.

Wanneer magnetisme toch binnensluipt in supergeleiders

Supergeleiders staan bekend om het uitdrijven van magnetische velden uit hun binnenste, een verschijnsel dat ten grondslag ligt aan technologieën van MRI-scanners tot gevoelige detectoren. Wanneer het aangelegde magnetische veld echter sterk genoeg wordt, kan het de supergeleider in prikken in discrete, draadvormige bundels die vortices worden genoemd. In gewone materialen gedraagt het centrum van elke vortex zich als normaal metaal, wat wrijving en energieverlies veroorzaakt zodra de vortex beweegt. Daarom worden vortices al lang gezien als probleemmakers die de prestaties van suprageleidende apparaten en qubits aantasten. De belangrijkste twist die hier wordt onderzocht, is dat in een sterk gedesordende, granulair suprageleider — opgebouwd uit vele kleine aluminiumkorrels gescheiden door dunne isolerende barrières — het binnenste van een vortex ‘‘gegap’’ kan blijven, wat betekent dat het niet gemakkelijk energie dissipieert. Onder deze omstandigheden stoppen vortices mogelijk met zich als klassieke objecten te gedragen en vertonen ze volledig kwantumgedrag.

Vortexen omzetten in kwantum tweestaatssystemen

De onderzoekers fabriceerden een slanke microgolfresonator van granulair aluminium, koelden die tot enkele duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt en brachten een klein magnetisch veld aan tijdens het afkoelen. Deze procedure vangt vortices in het apparaat op specifieke locaties. Door vervolgens het magnetische veld te variëren en de microgolfrespons van de resonator te onderzoeken, zag het team duidelijke signalen dat de resonator sterk gekoppeld was aan een onderscheiden, instelbaar tweestaatssysteem — in wezen een kwantumobject met alleen een grond- en een aangeslagen toestand — gekoppeld aan de aanwezigheid van vortices. Ze konden overgangen tussen deze twee toestanden aandrijven met korte microgolfpulsen, net zoals men een conventionele suprageleidende qubit zou manipuleren, en ze konden de toestand uitlezen op een manier die deze niet vernietigt, bekend als quantum non-demolition meting.

Langlevende kwantumdraaikolken

Tijdsgerelateerde metingen toonden aan dat deze op vortices gebaseerde toestanden hun energie honderden microseconden behouden, wat konkureert met de levensduren van sommige zorgvuldig ontworpen qubits die in de huidige topexperimenten worden gebruikt. De fasecoherentie — de eigenschap die kwantumsuperposities mogelijk maakt — hield microseconden stand en kon worden verlengd met echo-technieken die langzame milieuvariaties onderdrukken. Statistische studies over veel koelcycli gaven aan dat deze “vortex-qubits” stabiel zijn over uren tot weken, maar dat hun microscopische configuratie van de ene cooldown naar de andere kan veranderen, wat verschillende ordeningen van vortices in het granulair landschap weerspiegelt.

Een landschap van valkuilen en kwantumtunneling

Om uit te leggen hoe een vortex als een kwantum tweestaatssysteem kan werken, modelleerden de auteurs hoe deze het energielandschap binnen de smalle suprageleidende strook ervaart. Omdat de film granulair en gedesordend is, zijn er veel kleine pinningplaatsen die vortices lokaal vangen. Naarmate het magnetische veld wordt aangepast, verandert de relatieve diepte van deze vallen, waardoor effectief een dubbel-well potentiaal ontstaat: twee nabije laag-energetische posities gescheiden door een barrière. Dicht bij een speciaal ‘‘sweet spot’’-veld worden de twee wells bijna gelijk in energie, en kan de vortex kwantummechanisch ertussen tunnelen in plaats van klassiek te hoppen. In dat regime is de vortex niet langer aan één kant gebonden; in plaats daarvan is zijn toestand een superpositie van tegelijkertijd in beide vallen aanwezig zijn, waarmee het tweestaatssysteem wordt gevormd dat met de resonator koppelt.

Van ongewenste defecten naar bruikbare kwantumtools

Door aan te tonen dat gevangen vortexen in een granulair suprageleider zich kunnen gedragen als bestuurbare, langlevende qubits, verandert dit werk een lang bestaande tekortkoming van suprageleidende apparaten in een kans. Als het basisplaatje — vortexen die tunnelen tussen nabijgelegen pinningplaatsen in een gedesordend, junction-achtig netwerk — wordt bevestigd door toekomstige beeldvormings- en spectroscopie-experimenten, kunnen vergelijkbare vortexgebaseerde qubits in een breed scala aan materialen worden gerealiseerd. Omdat ze direct voortkomen uit de structuur van de supergeleider, zouden zulke toestanden zowel kunnen dienen als ingebouwde sondes van microscopische disorder als elementen van een nieuw vortexpplatform voor kwantuminformatie verwerking en ultrasensitieve detectie.

Bronvermelding: Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

Trefwoorden: suprageleidende qubits, granulair aluminium, magnetische vortexen, quantumcoherentie, quantum materialen