Koherent kvantmanipulation och avläsning av supraledande virveltillstånd

Ett nytt sätt att lagra kvantinformation

Kvantdatorer lovar att lösa problem långt bortom vad dagens maskiner klarar, men deras grundläggande byggstenar — kubiter — är sköra och svåra att konstruera. Denna studie avslöjar en oväntad ny typ av kubit som döljer sig inne i supraledande material själva: små virvlar av magnetfält, kallade vortices, som tyst kan lagra kvantinformation under förvånansvärt långa tider. Att vända det som tidigare betraktats som ett störningsmoment till en nyttig resurs kan öppna nya vägar mot enklare och mer robust kvantteknologi.

När supraledare släpper in magnetism

Supraledare är kända för att tränga bort magnetfält från sitt inre, ett fenomen som ligger till grund för tekniker från MR-kameror till känsliga detektorer. När det applicerade magnetfältet dock blir tillräckligt starkt kan det tränga igenom supraledaren i diskreta, trådliknande buntar som kallas vortices. I vanliga material beter sig centrum i varje virvel som normalt metalliskt, vilket orsakar friktion och energiförluster när virveln rör sig. Därför har virvlar länge setts som besvärliga fenomen som försämrar prestandan hos supraledande enheter och kvantbitar. Den avgörande vändningen som utforskas här är att i en starkt oordnad, granulär supraledare — uppbyggd av många små aluminiumkorn separerade av tunna isolerande barriärer — kan virvelns inre förbli ”gappat”, det vill säga inte lätt dissipera energi. Under dessa förhållanden kan virvlar upphöra att bete sig som klassiska objekt och börja uppvisa helt kvantmässigt beteende.

Förvandla virvlar till kvanttvånivåsystem

Forskarna tillverkade en slank mikrovågsresonator av granulärt aluminium, kylde den till några tusendels grad över absoluta nollpunkten och applicerade ett svagt magnetfält medan den svalnade. Denna procedur fångar virvlar i enheten på specifika platser. Genom att sedan svepa magnetfältet och undersöka resonatorns mikrovågssvar observerade teamet tydliga tecken på att resonatorn var starkt kopplad till ett distinkt, ställbart tvånivåsystem — i praktiken ett kvantobjekt med endast grund- och exciterat tillstånd — förknippat med förekomsten av virvlar. De kunde driva övergångar mellan dessa två tillstånd med korta mikrovågspulser, på samma sätt som man manipulerar en konventionell supraledande kubit, och de kunde avläsa tillståndet på ett sätt som inte förstörde det, en så kallad kvantickeckningsfri mätning (quantum non-demolition).

Långlivade kvantvirvlar

Tidsupplösta mätningar visade att dessa virvelbaserade tillstånd behöll sin energi i hundratals mikrosekunder, i nivå med livstiderna hos några noggrant konstruerade kubiter som används i dagens ledande experiment. Fasekohärenzen — egenskapen som tillåter kvantöverlagringar — varade i mikrosekunder och kunde förlängas med eko-tekniker som kompenserar för långsamma miljödriftningar. Statistiska studier över många kylcykler indikerade att dessa ”virvelkubiter” är stabila över timmar till veckor, men deras mikroskopiska konfiguration kan ändras från en nedkylning till nästa, vilket speglar olika arrangemang av virvlar i det granulära landskapet.

En terräng av fångstplatser och kvanttunnling

För att förklara hur en virvel kan fungera som ett kvanttvånivåsystem modellerade författarna hur den upplever energilandskapet inuti den smala supraledande remsan. Eftersom filmen är granulär och oordnad finns många små ”pinning”-ställen som lokalt fångar virvlar. När magnetfältet justeras ändras den relativa djupet hos dessa fällor, vilket i praktiken skapar en dubbelbrunnspotential: två närliggande lågenergipo­sitioner separerade av en barriär. Nära ett speciellt ”sweet spot”-fält blir de två brunnarna nästan lika i energi, och virveln kan kvantmekaniskt tunnla mellan dem istället för att hoppa klassiskt. I det läget är virveln inte längre bunden till ena eller andra sidan; dess tillstånd är i stället en superposition av att befinna sig i båda fällorna samtidigt, vilket bildar det tvånivåsystem som kopplas till resonatorn.

Från oönskade defekter till användbara kvantverktyg

Genom att visa att fångade virvlar i en granulär supraledare kan uppträda som kontrollerbara, långlivade kvantbitar förvandlar detta arbete en länge känd nackdel hos supraledande enheter till en möjlighet. Om den grundläggande bilden — att virvlar tunnlar mellan närliggande pinning-ställen i ett oordnat, kontaktliknande nätverk — bekräftas av framtida avbildnings- och spektroskopiexperiment, kan liknande virvelbaserade kubiter realiseras i ett brett spektrum av material. Eftersom de uppstår direkt ur supraledarens struktur kan sådana tillstånd tjäna både som inbyggda sonder av mikroskopisk oordning och som komponenter i en ny, virvelbaserad plattform för kvantinformation och ultrasensitiv mätning.

Citering: 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

Nyckelord: supraledande kubiter, granulärt aluminium, magnetiska virvlar, kvantkohärenz, kvantmaterial