Şimdi Josephson’un, iki süper iletken arasındaki bir eklemde meydana gelenleri analiz ederken vurguladığı çok ilginç br durum hakkında konuşacağız. Bu olayı konuşurken, bulundurmamız gereken bazı malzemeler bulunuyor. Bunlar sırasıyla, ince bir yalıtkan tabaka ile ona bağlanan iki süper iletken malzeme olarak karşımıza çıkıyor. Bu eklemin oluşturluması ile beraber elde edeceğiniz yapıya, Josepson Eklemi adını veriyoruz. Burada, bu konuyu kritik bir hale getiren, yalıtkan tabakanın kalınlığıdır. Yalıtkan tabakanın kalınlığı, elektronların süper iletkenler arasında ki geçişini etkiler. Eğer yalıtkan tabaka kalınsa elektronlar geçemez; fakat ideal bir kalınlık yakalarsanız eğer, elektronların karşıya zıplamasını sağlayan bir kuantum mekaniksel genlik keşif edebilirsiniz. Bu bir bariyerin, engelin veya herhangi katı bir korumanın içine kuantum mekaniği sayesinde sızmanıza olanak sağlar. Josepson, bu durumu incelemiştir ve analiz etmiştir. Bu harika çalışmaları ona ve diğer bilim insanı arkadaşlarına, kuantum tünelleme ile alaklı 1973 yılında Nobel Ödülü kazandırmıştır. Bu eklem, kuantum bilgisayarların hafıza ve kübit altyapısını oluşturmak için son derece umut vericidir. Bu durumu şöyle açıklamaya çalışayım, tek atomlu yapılar ve iyon tuzaklanması durumları hassasiyet olarak çok büyük problem oluşturmaktadır. Fakat, Josephson Eklemi günümüzde kullanılan çip teknolojisine benzer bir biçimde üretilebilmesi, ve akım veya kübit ile ilgili parametrelerde daha geniş bir ayarlama ölçütü sunduğu için temel bir yapı olarak kabul edilir. Bu eklemlerde oluşturulan atomlar, yapay atomlar olarak da adlandırılır. Özetle, yalıtkan tabakaya takılmaksızın, süperiletkenler arasında kuantum tünellemesi oluşturularak, sürekli bir akım oluşturabilirsiniz. Bu durumu gerçekleştiriken de hiç akım vermenize gerek yoktur. Elektronlar, çiftler halinde hareket etmeye başlar. Ayrıca, kübitlerin süperpozisyon durumlarına geçmesi, onları çok kırılgan ve hassas yapmaktadır. Böylece, devreyi kritik sıcaklıklara getirmek suretiyle, oluşan gürültüden ve direnç kayıplarından kaçılır. Fakat, süper iletken devreler kübit gibi davranmaları için doğrusal olmayan foknsiyonlara ihtiyaç duyar. Bu durum bir örnek ile açıklanmak gerekirse, bir LC devresinin varlığını kabul edelim, ve bu devre gürültünün olduğu bir ortamda harmonik osilatör olarak belirli bir frekans aralığında çalışırken, sıcaklıklığın kritik noktalara indiği durumlarda ise bu devre kuantum harmonik osilatör olarak ele alınır. Bununla ilgili görsel aşşağıda yer almaktadır.
Harmonik ve anharmonik sistemler ve bunların kübit olarak uygunluğu. A Bir harmonik sistemin ikinci dereceden potansiyelinde (siyah eğri), enerji seviyeleri (kırmızı çizgiler) eşit aralıklıdır, yani ωj,j+1=ω01, burada ωjk, j ve k enerji seviyeleri arasındaki geçiş frekansıdır. Böylece ω01 frekansındaki bir sinyal yalnızca |0⟩’den |1⟩’ye değil, aynı zamanda |1⟩’den |2⟩’ye vb. de popülasyon aktaracaktır. B Harmonik olmayan bir sistemin potansiyelinde, örn. Josephson kavşağı, ω01≠ω12. Dolayısıyla, ω01 frekansındaki bir sinyal yalnızca |0⟩ ile |1⟩ arasındaki geçişleri yönlendirecek ve sistemdeki diğer seviyeleri etkilemeyecektir (sinyal çok güçlü olmadığı sürece). Bu, dinamikleri |0⟩ ve |1⟩ tarafından oluşturulan ve bir kübit olarak yorumlanabilecek iki seviyeli sistemle sınırlar.[1]
Bu bilgiler ışığında, Josephson Eklemleri süper iletken devrelerin kübite dönüşümünde kritik rol oynanyan doğrusallık dışı davranışı sağlar. Bunun ile beraber, sistemin daha az kırılgan hale gelmesi ve beirli ölçütler aralığında ayarlanabilir olması, bu eklemleri çok değerli kılıyor. Josephson bağlantısı, bir kübit yapmak için devrelere farklı şekillerde dahil edilebilir. Josephson-kavşak katkısının baskın olduğu bir devrede, harmonik bir osilatörün ikinci dereceden potansiyelinden farklı olarak, potansiyel bir kosinüs fonksiyonu olacaktır.
Basitçe özetlemek gerekirse, çalışılan kapıların |0> ve |1> aralığında kalmasını ve kübitin bu aralıkta diğer enerji seviylerini etkilemeden kalması için gerekli olan harmonik olmayan sistemi sağlayan Josephson Eklemidir. Böylece, sistem üzerinde kontrol sağlayabildiğiniz bir yapı oluşturması ile beraber, hayatsal bir öneme sahiptir.
josephson bağlantıları ayrıca süper iletken kübitleri okumak ve kontrol etmek için gereken birçok cihazın ayrılmaz bir parçasıdır, örneğin amplifikatörler, mikserler, ışın ayırıcılar, anahtarlar vb. [2].
Bu noktadan sonra ise 3 farklı Josephson-Eklem Kübitlerinden kısaca bahsedeceğm.
- a)Yüklenmiş Kübit: Bu eklem Copper çiftleri ile bağlantılı bir şekilde önümüze çıkıyor. Süperiletkenlik yazınsında da belirttiğim üzere, süperiletkenlerde oluşan tünelleme bu metodun temelini oluşturuyor.
- b)Akı Kübit: Kalıcı akı kübiti olarak da bilinir, en basit haliyle, bir Josephson eklemi tarafından kesilen bir süper iletken döngüden oluşur. Ancak bu devrenin bir kübit olarak çalışabilmesi için potansiyel enerjinin yerel minimumunda en az iki durumun olması gerekir.
- c)Faz Kübit: Muhtemelen Josephson Eklem ailesinin en eski üyesidir. 1980’lerde, makroskobik serbestlik dereceleri nedeniyle kuantum etkilerini araştırmak için deneysel çabaların bir parçası olarak çalışıldı.[3] Josephson-eklem kübitlerinin kuantum hesaplama veya kuantum optik deneyleri için kullanıldığı bu günlerde, yük ve akı kübitlerinin iyileştirmeleri, faz kübitlerinden çok daha yaygın olarak görülüyor, çünkü kuantum tutarlılığını korumanın daha zor olduğu ortaya çıktı.[4]
KAYNAKÇA
- https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-20726-7_17#Sec6
- X. Gu, A.F. Kockum, A. Miranowicz, Y.-X. Liu, F. Nori, Microwave photonics with superconducting quantum circuits. Phys. Rep. 718–719, 1–102 (2017). https://doi.org/10.1016/j.physrep.2017.10.002; arXiv:1707.02046
- J. Clarke, A.N. Cleland, M.H. Devoret, D. Esteve, J.M. Martinis, Quantum mechanics of a macroscopic variable: the phase difference of a Josephson junction. Science 239, 992 (1988). https://doi.org/10.1126/science.239.4843.992
- G. Wendin, Quantum information processing with superconducting circuits: a review. Rep. Prog. Phys. 80, 106001 (2017). https://doi.org/10.1088/1361-6633/aa7e1a; arXiv:1610.02208
