隧道结中约瑟夫森谐波的观测

发展大规模超导量子处理器的方案必须应对固态器件中普遍存在的众多微观自由度。最先进的超导量子比特采用氧化铝隧道约瑟夫森结作为执行量子操作所必需的非线性源。对这些结的分析通常假设一个理想化的、纯正弦的电流-相位关系。然而，这种关系仅在氧化铝势垒中透明通道极低的极限下才成立。本文中，我们展示了标准的电流-相位关系无法准确描述不同样品和实验室中transmon人工原子的能谱。相反，一个描述非均匀氧化铝势垒隧穿的介观模型预测了来自高阶约瑟夫森谐波的百分比级贡献。通过将这些贡献纳入transmon哈密顿量，我们在计算和测量的能谱之间获得了数量级上更好的一致性。约瑟夫森谐波的存在和影响对发展基于氧化铝的量子技术，包括量子计算机和参量放大器，具有重要意义。作为一个例子，我们展示了工程化的约瑟夫森谐波可以将transmon量子比特中的电荷色散和相关误差降低一个数量级，同时保持其非谐性。