Circuitos superconductores basados en uniones Josephson exhiben coherencia cuntica macroscpica y pueden comportarse comotomos artificiales.Los recientes avances tecnolgicos han hecho posible aplicar atmica fsica cuntica y pticaexperimentos en un chip utilizando estos tomos artificiales.Esta revisin presenta una breve resea de los avances logrados hasta el momentoen este campo que avanza rpidamente.No slo discutimos fenmenos anlogos a los de la fsica atmica y ptica cunticacon los tomos naturales, sino tambin poner de relieve aquellos que no ocurre en los tomos naturales.Adems, se resumen variosdirecciones posibles en este campo interdisciplinario emergente.Scircuitos uperconducting con uniones Josephson pueden comportarse comotomos artificiales.En estos circuitos cunticos, la junc- Josephsonciones actan como elementos de circuitos no lineales (Recuadro 1).Tal no linealidaden un circuito garantiza una separacin desigual entre los niveles de energa, de manera que laniveles ms bajos se pueden abordar de forma individual mediante el uso de campos externos (ver,por ejemplo, Refs 1-9).Experimentalmente, estos circuitos se fabrican en unaescala de micras y funcionar a temperaturas millikelvin.Porquela dimensionalidad reducida y gracias a la superconductividad, ladisipacin y ruido inducido entorno se suprimen en gran medida, por lo quelos circuitos pueden comportarse mecnica cuntica.Circuitos superconductores basados en uniones Josephson tienen recientementeconvertirse en sujetos de intensa investigacin, ya que pueden ser utilizados como qubits-cuntica controlable sistemas-para-dos niveles computacin cuntica (vase,por ejemplo, los rbitros 1-4 para las revisiones).A pesar de que la decoherencia tpicatiempos de estos circuitos estn a la altura de los requisitos para cuntica com-putacin, su coherencia cuntica macroscpica es suficiente para que puedanexhibir un comportamiento cuntico llamativo.Estos circuitos pueden havea nmero deestados propios superconductores con valores propios discretos inferiores allos niveles de energa de las excitaciones cuasi-partculas que implican romperPares de Cooper.Esta propiedad permite que estos circuitos se comporten como super-la realizacin de tomos artificiales.De hecho, existe una profunda analoga entretomos naturales y los tomos artificiales hechas de superconductores cir-cuits (Recuadro 2).Ambos tienen niveles de energa discretos y pueden exhibir coherenteoscilaciones cunticas entre estos niveles.Mientras que los tomos naturales puedecontrolar utilizando fotones visibles o microondas que excitan electronesde un estado a otro, los tomos artificiales en estos circuitos son impulsadospor las corrientes, voltajes y fotones de microondas que excitan el sistemade un estado cuntico macroscpico a otro.Las diferencias entre los circuitos superconductores y tomos naturalesincluyen las diferentes escalas de energa en los dos sistemas, y con qu fuerzacada sistema se acopla a su medio ambiente;el acoplamiento es dbil para naturalestomos y fuerte para los circuitos.En contraste con tomos de origen natural,tomos artificiales pueden ser diseados con caractersticas y Fabricio especficascado en un chip utilizando tecnologas litogrficas estndar.Con una vistaa las aplicaciones, este grado de capacidad de ajuste es una ventaja importante sobretomos naturales.As, en una manera controlable, circuitos superconductorespuede ser utilizado para probar los principios de la mecnica cuntica fundamentales en unaescala macroscpica, as como para demostrar la fsica atmica yptica cuntica en un chip.Por otra parte, estos tomos pueden ser artificialesdiseado para tener propiedades exticas que no se producen en los tomos naturales.En esta revisin, se destacan la atmico-la fsica cuntica y pticafenmenos que se encuentran en circuitos superconductores.La novela en la fsicaestos tomos artificiales se har hincapi, incluyendo fenmenos queno se producen en los tomos naturales.Tambin se resumen varios prospectivoinstrucciones de este campo interdisciplinario emergente.Algunos de los ejemplosen este breve resumen se refieren a nuestro trabajo, porque estamos ms familiarizadoscon ellos.1Departamento de Fsica, Laboratorio Estatal Clave de Fsica de superficie, clave Laboratorio de Micro y Nano Fotnicas Estructuras (Ministerio de Educacin), la Universidad de Fudan, Shanghai 200433, China.2AvanzadoInstituto de Ciencias, RIKEN, Wako-shi 351-0198, Japn.3Departamento de Fsica de la Universidad de Michigan, Ann Arbor, Michigan 48109-1040, EE.UU..CUADRO 1La unin Josephson como unainductor no linealUn superconductor contiene muchos electrones apareados, llamado Cooperpares, que se condensan en el mismo estado cuntico macroscpicodescrito por la funcin de ondaeyjjiw, Con yjj2siendo la densidad dePares de Cooper.En ausencia de corrientes aplicadas o campos magnticos,w la fase es la misma para todos los pares de Cooper.Una unin de Josephson escompuesto de dos superconductores a granel separadas por una delgadacapa aislante a travs del cual los pares de Cooper pueden tnel (ver figuraa continuacin).El supercorriente travs de la unin esI5IcSinq, dondela corrienteIcrticocest relacionada con la energa de acoplamientoEJosephsonJde la unin porIc5 (2e/ B)EJY Q5WL2wRes la fasediferencia de los dos superconductores travs de la unin.La horavariacin de esta diferencia de fase est relacionada con el potencialVdiferenciaentre los dos superconductores: dQ /dt5 (2p / W0)V,donde W05h/ 2ees el quantum-flujo magntico.A partir de la definicinde la inductanciaL V5JdI/ dt,se sigue queLJ5W0/ (2pIccosq),lo que indica que la unin Josephson se comporta como un no linealinductor.AislanteSuperconductorSuperconductorPar de CooperLeiLReiR3 0 02 de junio 0 1 1 | VOL 4 7 4 | NATURALEZA | 5 8 9Macmillan Publishers Limited.Todos los derechos reservados 2011

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Circuitos superconductores como tomos artificialesDos escalas de energa importantes determinan el comporta- mecnica cunticacomporta- de un circuito de Josephson cruce: a saber, el acoplamiento JosephsonenergaEJy la electrosttica Coulomb energaEc5 (2e)2/ 2Cdurante un nicoCooper par, dondeees la carga electrnica, yCes o bien la capacit-ANCECJde una unin Josephson o la capacitancia de un superconductorisla llamada una caja de pares de Cooper (es decir, la suma de la capacitancia de la puertaCgy la capacidad de la unin relevante), dependiendo del circuito.Figure1summarizesthreekindsofsuperconductingcircuitsimplementeden diferentes regmenes deEJ/Ec;Fig.1a muestra el cuadro de voltaje impulsado (tambinconocida como una caja de pares de Cooper) para un qubit cargo5, Higo.1b el flujo impulsadobucle de tres unin para un qubit de flujo6y la Fig.1c la junc- movido por corrientetionforaphasequbit8,9.Asatypicalexample, EnergylevelsofthefluxqubitareshowninFig.1d.Moreover, hybridsuperconductingqubitsarepossible.Forinstance, aCooper-pairboxcanbehavelikeacharge-fluxqubit7cuando seEJ/Ec

e>a> =>e>= >e>= >g> =>g>Figura 1|Circuitos superconductores como tomos artificiales.a,A de pares de Cooper cuadroempujado por un voltaje de puertaVgy aplicado en el rgimen de carga,EJ=Ec= 1.El bucle SQUID ofrece una energa efectiva acoplamiento Josephson sintonizado por elenhebrar flujo magntico W. Ver texto principal para la nomenclatura.El azul, el oro y lacomponentes grises denotan, respectivamente, una placa del condensador de puerta, unasuperconductores isla acta como una 'caja' de pares de Cooper, y un segmento de unbucle superconductor;cada componente de color rojo denota la delgada capa aislante deun cruce.bJosephson,Un bucle superconductor interrumpido por tresUniones Josephson y aplicarse en el rgimen fase,EJ=Ec? 1.Los dosuniones Josephson idnticos tienen acoplamiento de energaEJy la capacitanciaC,mientrastanto el acoplamiento de energa Josephson yla capacitancia de la unin ms pequease reducen en un factor a, donde 0,5, a, 1.El bucle de tres unin est sesgadapor un flujo W tal quef:W = W0

a>e>e>g>a>e>g>g>g>e>e>a>a>g>e>a>g>Figura 2|tomos y conversiones de frecuencia de tres niveles.a,los niveles de energa detomos naturales de la L, V y J tipos, as como un tomo artificial de tipo Dque consiste en un bucle de tres unin flujo impulsado.Las transiciones dipolares permitidosentre los niveles de energa se indican en rojo.En contraste con origen naturaltomos, las tres transiciones dipolares entre los estadosgji, jicorreoyunji son todospermitido en el tipo D de tres niveles tomo artificial.Aqugj i y jei denotan elsuelo y primera estados excitados, mientras queunji denota o bien el segundo u otroestado excitado.b,de frecuencia hasta la conversin en un tomo artificial de tipo D.En Este Lugarv1(Ee{Eg) = B, v2(Eun{Ee) = B y v(Eun{Eg) = B, conEyo(I5g, E oA)siendo el nivel de energa de laijestadoi.Cuando dos fotones de microondas, una confrecuencia v1y el otro con v2, Son absorbidos sucesivamente por el artificialtomo, que puede emitir un fotn de microondas con frecuencia v5v11v2a travs de latransicinde unaji?gj i.c,Frecuencia de conversin descendente en los de tipo D artificialtomo.Cuando un fotn de microondas con frecuencia v es absorbida por el artificialtomo, las transiciones secuencialesunji?eji ji ycorreo? gji pueden producir dosfotones de microondas con frecuencias v1y v2, Respectivamente.En particular,cuandoEun{EeEe{Eg, La conversin ascendente enbconvierte dos fotones confrecuencia12v de un fotn con una frecuencia v, mientras que la conversin descendente encconvierte un fotn con una frecuencia v de dos fotones con frecuencia12v.tomos naturales no pueden realizar altura o hacia abajo-conversin, a menos que la ayuda delos efectos no lineales.Sin embargo, los tomos artificiales puede.REVISINDE LAS INVESTIGACIONES3 0 02 de junio 0 1 1 | VOL 4 7 4 | NATURALEZA | 5 9 1Macmillan Publishers Limited.Todos los derechos reservados 2011

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sonda de campo de luz en resonancia con la transicin de dipolounjie>a>g>g>Figura 4|Lasing.unainversin de poblacin del Estado (para la accin lser) entre estadosejiygj i en un bucle de tres cruce enfw12, En donde el tomo artificial es rpidamentebombeada desdegji aunji por un fuerte pulso de microondas (por ejemplo, por una rpidaOscilacin Rabi) y luego decae deunaji ji alcorreoa travs de la emisin de fotones.Aqu eltasa de transicin de dipoloeji ji parages pequea debido a una mayor entre los pocillosbarrierbetween ellos; thedipoletransitionrate deunaji ji alcorreoislargerowingtouna barrera inferior;y la tasa es an mayor para la transicin dipolargji?unjiporque ninguna barrera de potencial est implicado en la solo pozob,Photonemissionde.el tomo artificial para construir un campo de accin lser, donde la barrera entre los pocillos esstrongtransitionrate loweredsoastohavea entreeji ygandtotunethe jiTransicinEji?gji en resonancia con la cavidad.p,pp,pc,cc,ccbuntomotomop,pa>g>e>Figura 3|Electromagnticamente inducida transparencia.a,A campo de luz de la sonda esabsorbida por tomos naturales o artificiales cuando la frecuencia del campo de luz esresonante con una separacin determinada entre dos niveles de energa atmica.B,sin embargo, el campo de luz sonda puede ir a travs de los tomos naturales o artificialescuando un campo de luz de control adecuado tambin impulsa los tomos.c,tipo L de tres nivelessistema atmico para el EIT.La frecuencia vpde la luz sonda de campo es resonantecon la separacin de energa entre los estadosunji ji yg,y la frecuencia vcdeel campo de luz de control es resonante con la separacin de energa entre los estadosdejiyej i.La frecuencia de Rabi Vp(Vc) Cuantifica la fuerza de acoplamiento entrela sonda (control) campo de luz y el tomo.REVISINDELASINVESTIGACIONES5 9 2 | NATURALEZA | VOL 4 7 4 | 3 0 02 de junio 0 1 1Macmillan Publishers Limited.Todos los derechos reservados 2011

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se hace grande y la cavidad es resonante con esta transicin.Sin embargo, la condicin adiabtica no es fcil de satisfacer cerca de estepunto Anticrecimiento(f12), Donde la transicin de Landau-Zener esfuerte, por lo que el flujo de desviacin no se puede cambiar mientras muy rpidoacercarse a este punto.Afortunadamente, lejos de este Anticrecimientopunto, la transicin Landau-Zener es dbil, por lo que es fcil de satisfacerla condicin adiabtica30y el flujo se puede cambiar muy rpidamente.Para aprovechar las ventajas de esta propiedad, la unin pequea Josephson enel bucle de flujo impulsado puede ser reemplazado por un superconductor sintonizabledispositivo de interferencia cuntica (SQUID).En este SQUID cc, el imncampo ntico aplicado al bucle hace que la corriente crtica a oscilarcon un perodo de 2W0.Con el SPI estableci en un flujo de empuje lejos deF12, Se puede cambiar rpidamente el flujo en el bucle SQUID para bajar elbarrera entre los pocillos, con el fin tanto de aumentar la tasa de transicin Cpor ejemplo,y sesintonizar estecorreotransicinji?gji en resonancia con el modo de la cavidad(Fig. 4b).Esto puede producir un acoplamiento fuerte entre el circuito yla cavidad.Para construir un campo de accin lser, adems de las dos condiciones anteriores paraquicklyestablishing SPIandthen achievinga strongcircuit-cavidad coup-ling, la cavidad se utiliza debe tener un factorQde calidad(Q-factor),quees, una pequea tasa de fugas de energa o la descomposicin.Esto se puede implementar utilizando unaresonador de gua de ondas coplanar16.De hecho, la accin lser se ha observado experimentalmente usando un par de Cooperboxinanon-chipcavity39.Incontrasttotheproposal30impulsado por usingafluxbucle, este experimento39emplea un sistema de tres niveles diferentes: los dosms bajo estados superconductoresgji ji ycorreoy un estado cuasi-partculasaj i.El voltaje de la puerta est sintonizado aVg.E/Cg(Por encima del punto de degeneracin), por loestado 2ji con un par de Cooper extra en la caja se convierte en el estado fundamentalgj ioftheartificialatom, andstate 0jiwithzeroextraCooperpairsinthecaja es el estado excitadoej i.Adems, la caja est conectada a una ventaja a travs de unabarrera tnel.Cuando se conduce la caja con un voltaje a travs del tnelbarrera, un SPI entreeji: 0ji ygji: se logra 2ji, siguiendoprocesos de construccin de tneles cuasi-partculas36.En ref.39, se logr la accin lserde forma continua, con la luz emitida de escape desde un extremo de la cavidad.EnfriamientoExisten diferentes mtodos para enfriar tomos, incluyendo Doppler refrigeracining, Ssifo refrigeracin, refrigeracin de banda lateral, refrigeracin subrecoil y evapo-orative refrigeracin41.Algunas de estas tcnicas se pueden adaptar para enfriar unade estado slido tomo artificial.Por ejemplo, los Ssifo mtodo de refrigeracinse ha utilizado para enfriar un qubit de flujo (es decir, una de tres unin flujo impulsado obucle de cuatro conexiones)40.Anotherimportantadvance42isthecoolingofafluxqubitimplementedmediante el proceso inverso de SPI.En ref.42, la temperatura de la super-qubit realizacin se redujo en hasta dos rdenes de magnitud cuando sualrededores llegaron a una temperatura tan baja como decenas de millikelvin.De Estase logra el enfriamiento de la qubit de flujo cuando el flujo de empuje se desplaza lejosdef12, Donde las tasas de transicin de dipolo para los tres ms bajos niveles deel qubit flujo satisfacer la C relacionesagbaoea? Cge.Por pticamente bombeoing el qubit a travs de la transicineji?unji, el qubit es excitado al altaestado de energaunji y luego decae al estado fundamental a travs de latransicinde unaji?gji (Fig.5a), withanetenergy, extractedfromthequbit,emitidos al medio ambiente exterior.Este experimento tambin ofrece finaanalogas entre tomos artificiales de estado slido y los tomos naturales, ascomo mostrar cmo estas analogas pueden inspirar nuevas aplicaciones.Aunque el qubit superconductor en la ref.42 fue muy refrigerado(KBT=Ee2Eg) En los experimentos, las fuentes de ruido que rodea elqubit no lo eran.As que el qubit volver rpidamente a la temperatura desu entorno.Para superar esta dificultad, el qubit superconductorpuede ser rediseado para aumentar su controlabilidad mediante la sustitucin de la pequeaUnin de Josephson en el bucle de flujo impulsado con un SQUID sintonizable43.Los Lasproceso de enfriamiento ahora se puede describir de la siguiente manera (Fig 5b-d): primero, como enel experimento42, El qubit se enfra inicialmente, tras la inversaproceso de SPI.Entonces, el qubit sintonizable se conecta durante un perodo detiempo a fin de resonante interactuar con la fuente de ruido (por ejemplo,fluctuators de dos niveles locales) que rodean el qubit.Este extractos de procesola energa de la fuente de ruido para calentar el qubit.La repeticin de estos dosprocesos43, Tanto el qubit y su fuente de ruido vecinos pueden sersimultneamente enfriado.Esto mejorar significativamente la cunticacoherencia del qubit, debido a que el qubit enfriado es entonces trmicamente activacinvada slo muy lentamente al primer estado excitado.Recientes avances tcnicos permiten la fabricacin de un nanomecnico-factorandasufficientlyhighfrequencyQresonatorwithbothahigh,cercatothetypicalfrequenciesofsuperconductingcircuits44.Thishasstimulatedlos investigadores proponen diferentes maneras de utilizar circuitos superconductores alograr el enfriamiento del estado fundamental del resonador nanomecnico acopladores37,43,45-48.Por otra parte, el enfriamiento experimental de un resonador tal, poracoplamiento a un transistor de un solo electrn superconductor49o a un microonda de frecuencia superconductor resonador50, Tambin ha sido reportado.Cuando un resonador nanomecnica se enfra hasta el estado fundamental51, Se pro-Vides una buena plataforma para explorar diversos fenmenos cunticos y porobservando la transicin cuntica a la clsica de tal macroscpicaobjeto.Esto dar lugar a la nueva asignatura de la acstica cuntica.Generacin de fotonesQubits superconductores tienen la ventaja de la manipulacin cunticaestados de una manera controlable.Si estos qubits estacionarias son espacialmenteseparado, se puede utilizar fotones individuales generados en una cavidad extendida comoun bus cuntico, similar a un qubit vuelo, para implementar com- cunticacomunicacin entre ellos (Fig. 6a).Tecnolgicamente, esto requiere lageneracin de fotones individuales mediante la manipulacin de un qubit superconductor,y la transferencia de informacin entre los qubits superconductores ylos fotones.El uso de una cavidad en el chip, se hace factible para lograr esteproceso de comunicacin cuntica en un chip.Experimentos recientes muestran que una fuente de fotn nico se puede lograrutilizando un qubit superconductor acoplado a una cavidad en el chip52-55.Cuando Seel qubit se prepara de la excitadoejiestadopor un impulso de control, que puede|A>|A>|G>uncdb|G>|E>|E>eaeaagaggege|A>|G>|E>eaagge|A>|G>|E>geFigura 5|Enfriamiento un tomo artificial de tres niveles y una cerca de dos nivelessistema.una, el bucle de refrigeracin de tres unin a su estado fundamentalgj i.Mientras que latomo artificial es trmicamente emocionadoeji, uno puede conducir el tomo aunji por uncampo de microondas.Debido a una tasa de transicin grande paraunji?gji, el tomo puededecaer rpidamente del estado inestableunji al estado fundamental, emitiendo netoenerga, extrae de la tomo, al ambiente exterior.El azul (blanco)crculo indica el nivel de energa que est ocupada (desocupado) por lo artificialtomo.Las dos flechas verdes gruesas representan transiciones dipolares de mayor tasa, ythethinner brownarrowrepresents un dipoletransition.The blueand-tasa ms bajaniveles de rojo en el doble pozo de potencial corresponden a las tres de menor energaniveles de un bucle de tres unin sesgados enfw12.b, mientras que la fuente de ruido estrmicamente excitado, el tomo artificial se desplaza fuera de resonancia de la fuente de ruidosintonizando el flujo aplicado externamente y tambin impulsado al estado enfriado a travs de laproceso inverso de la statepopulationinversioninuna.El cuadro de la derecha de ladiagrama de nivel de energa representa una actuacin fluctuator de dos niveles como una fuente de ruido.c, el INTER-wellbarrierof el tomo artificial es TuningEl loweredby externamenteflujo aplicada a fin de tener tanto una fuerte tasa de transicin entre lagji ycorreoji yla transicingji?eji en resonancia con el sistema de dos niveles, a fin de extraerenerga desde el sistema de dos niveles.d, desplazando el tomo artificial fuera de resonanciadesde el sistema de dos niveles de refrigeracin y el tomo de nuevo, con la energa netaextrada del sistema de dos niveles emitida al ambiente exterior.REVISINDE INVESTIGACIN3 0 02 de junio 0 1 1 | VOL 4 7 4 | NATURALEZA | 5 9 3Macmillan Publishers Limited.Todos los derechos reservados 2011

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decaimiento al estado fundamentalgji mediante la emisin de uno (y slo uno) de fotones enla cavidad en el chip;esta descomposicin es posible debido a la interaccinentre el qubit y la cavidad.Si la cavidad estaba originalmente en el0ji estado de vaco, ahora cambia a las 1ji estatales de fotn nico.Cuando Seel qubit se prepara en un estado de superposicin arbitraria ungj izbeji, ende una manera ideal, el acoplamiento entre el qubit y la lata cavidadmapa del estado qubit en un estado de superposicin de fotones cero y unoen la cavidad: a 0jizb 1ji (Fig. 6b-d).Adems, el experimento enref.52 muestra cmo transferir informacin de una cavidad a una estacionariaqubit (Fig. 6d-f).Estos experimentos demuestran que tanto solafuentes de fotones y la comunicacin cuntica entre superconductividadqubits conductos se pueden lograr en un chip.Sin embargo, debido a lala relajacin y la decoherencia en tanto qubit y la cavidad, despus de cada pasopara transferir la informacin entre un qubit estacionaria y unacavidad, las amplitudes A y B del fotn (qubit) de estado se puedediferente de las amplitudes A y B de la qubit anterior (fotn)estado.Mejorar las tasas de relajacin y tiempos de decoherencia qubit debepermitir transferencias estatales de mayor fidelidad entre qubits y cavidades.Adems de la generacin de fotn nico, tambin se puede generar, comopropuesto en refs 56 y 57, multi-fotn Fock establecenji (es decir, elestados de nmero de fotones) y estados de superposicin arbitrariasXncnnj i.De hecho, en un experimento reciente58, La generacin controladade pura Fock afirma con se logr hasta 15 fotones usando una super-la realizacin de qubit de fase acoplado a una cavidad de microondas en el chip.Adems, gracias a las ventajas tanto de la cavidad en el chip ycircuitos superconductores sintonizables, superposiciones complejas de estadosTambin se generaron con diferente nmero de fotones en un controladay de manera determinista55, Que es una hermosa real experimentalzacin del protocolo descrito en la ref.56. Recientemente, elN-photonestados NOON entreverados,N0jiz 0Nji, tambin se han generado en dosresonadores superconductores59.Estos experimentos revelan an ms lacomportamiento cuntico de la cavidad en el chip y proporcionar una situ tilexigir fuente multi-fotn para el futuro cuntico-tecnologa de aplicacincationes.Tomografa estado cunticoUn crucialstep en el procesamiento de informacin cuntica isthe medicin delos estados cunticos de salida.Sin embargo, un estado cuntico no que pueda evaluarsecontenida por una sola medicin cuntica.Esto es porque cunticaestados pueden comprender muchas caractersticas complementarias que no pueden sermedido al mismo tiempo y con precisin, debido a relaciones de incertidumbre.Sin embargo, todos los aspectos complementarios pueden en principio ser observados poruna serie de mediciones en un nmero suficientemente grande de pre- idnticamentePared, copias del sistema cuntico.Entonces, se podra reconstruir unaestado cuntico desconocido de un conjunto tan completo de mediciones deobservables del sistema.Tal proceso de reconstruccin de estados cunticos esllamada tomografa estado cuntico.El uso de la tomografa por estado, el ruidosocanal del sistema cuntico tambin se puede determinar.Este procedimientode la determinacin de la dinmica de un sistema cuntico abierta que se conoce comotomografa proceso cuntico.Mediciones tomogrficos en los estados cunticos de superconductoresing qubits de carga, ya sea qubits individuales o mltiples, se propusieron en la ref.60. Recientemente, ha habido muchos experimentos sobre el estado cunticola tomografa de qubits superconductores monofsicos61,62y de dosfase superconductora junto63y cargo64qubits.Tambin, cunticatomografa proceso se llev a cabo experimentalmente en una sola65y sedos66qubits fase.De hecho, la tomografa estado cuntico es un elemento esencialherramienta en mediciones estatales qubit, y proceso cuntico tomografapuede ser utilizado para sondear las propiedades de ruido y dinmica temporal desistemas de qubits.Perspectivas de futuroTeniendo en cuenta los avances tecnolgicos, los circuitos superconductores se pueden utilizar parala mecnica cuntica prueba a escala macroscpica (Cuadro 3).Adems, puedense utilizarn para demostrar muchos nuevos fenmenos de la ciencia cuntica.LaAlgunos ejemplos son los siguientes.Efecto Casimir dinmicoCuando dos espejos paralelos se colocan en el espacio vaco, su presenciaafecta a las fluctuaciones del vaco del campo electromagntico.Porquelas diferentes densidades de los modos de vaco dentro y fuera del espacioentre los dos espejos, una fuerza neta en los espejos se pueden generar.Este efecto de la electrodinmica cuntica es conocido como el Casimir estticaefecto.Si los espejos se mueven, tambin hay una falta de coincidencia entre los modos de vacoen diferentes momentos.Se ha predicho que esto puede resultar en lacreacin de fotones reales fuera de las fluctuaciones del vaco.Esta dinmicaEfecto Casimir tambin es vlido para un solo espejo sujeto a una no uniformeaceleracin en el espacio vaco.Aunque la recepcin de considerable intersdesde su prediccin terica, todava no hay verificacin experimentaldel efecto Casimir dinmico.Esto se debe principalmente al hecho de que latasa de produccin de fotones no es despreciable slo cuando el Velo- espejociudad se aproxima a la velocidad de la luz, haciendo que el uso de espejos masivasmuy desafiante.Una gua de onda coplanar terminada por un SQUID fuepropuesto67para observar experimentalmente el efecto Casimir dinmico.Cambio del flujo magntico roscado el paramtrica bucle SQUIDmodula la condicin de contorno de la gua de ondas y de ese modo sulongitud efectiva.Porque no hay movimiento enorme espejo, la velocidadde la frontera eficaz puede acercarse a la velocidad de la luz.Cin de Fotonesla produccin del vaco por lo tanto se puede hacer experimentalmente detectable.Traslado de poblaciones CoherentePuertas lgicas elementales en las redes de computacin cuntica son generalmenteimplementado utilizando impulsos resonantes diseados con precisin.Sin embargo, eldiversas fluctuaciones e imperfecciones operativos que existen en la prcticalimitar estos diseos.Adems, la dificultad de conmutacin acoplamientos en interbitCcBCcLLaUn qubitbcFedunCavidadQubit BLaLLBC|1>|E >B|G >B|0>|G >La|E >LaFigura 6|La transferencia de informacin cuntica entre dos estacionariaqubits a travs de una cavidad.una, diagrama esquemtico de dos qubits fase de flujo impulsadocapacitivamente acoplada por una cavidad en el chip (unLCresonador).b, A es Qubitpreparado en un estado de superposicin de ungjiLazbejiLa, Mientras que tanto qubit B y laresonador se preparan en sus estados fundamentales.En este paso, tanto qubits A y Bson fuera de resonancia con la cavidad.c, Qubit A se desplaza en resonancia con laresonador, para un intervalo de tiempot1p = 2gLa, Con BgLasiendo la energa de interaccinqubit entre A y el resonador.Este paso se asigna el estado de qubit A a laun estado de superposicin 0jizb 1ji del resonador, donde 0ji y 1ji son dos Fockestados del resonador con cero y un fotn, respectivamente.d, qubit Shift Afuera de resonancia con el resonador de nuevo, y almacenar la informacin cuntica enel resonador para un tiempo de duracint2.e, qubit Shift B en resonancia con laresonador para un intervalo de tiempot3p = 2gB, Donde BgBes la energa de interaccinentre qubit B y el resonador.Este paso asigna el estado del resonador ala superposicin indicar ungjiBzbejiBde qubit B.f, Shift qubit B fuera de resonanciacon el resonador de nuevo, y almacenar la informacin cuntica en qubit B. Notaque una transferencia estado de alta fidelidad entre qubits A y B puede ser implementado sitanto la relajacin y la decoherencia del estado son despreciable durante elprocesos anteriores.INVESTIGACINDE REVISIN5 9 4 | NATURALEZA | VOL 4 7 4 | 3 0 02 de junio 0 1 1Macmillan Publishers Limited.Todos los derechos reservados 2011

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y limita fuera fuertemente el diseo preciso de los impulsos necesarios para dospuertas qubit.Para superar estas dificultades, ref.68 propuso un enfoquetransferir de forma coherente las poblaciones de los estados qubits utilizando Stark-chirpedrapidadiabaticpassages.Asinthecaseofgeometricphases, estostraslados de poblacin son insensibles a los tiempos evolucin dinmica delos qubits, siempre y cuando que son adiabticas.Los rpidos pasajes de adiabticospoblaciones podran ofrecer un enfoque atractivo para la aplicacin de altofidelidad puertas de una y de dos qubits para computacin cuntica.La clave de estos pasajes rpidos adiabticos es cmo producir tiempo-detunings dependientes por el canto de los niveles qubit.Para ms naturalsistemas atmicos o moleculares, donde cada estado ligado posee un definidoparidad, los chirridos de desafinacin requeridos podran lograrse mediante el uso deel efecto Stark a travs de, por ejemplo, las excitaciones de dos fotones de la qubitniveles69.La ruptura de simetras de paridad en los estados unidos en super-circuitos que llevan a cabo, tales como uniones Josephson actuales sesgada ofrece aluna ventaja68, Porque thedesirabledetuning chirpscanbeproducedbypulsos de un solo fotn.Recientemente, paso rpido adiabtico se logr parala transferencia de un solo fotn en un circuito superconductor70.Espejos sintonizables e interfermetrosCircuitos superconductores se pueden utilizar para Landau-Zener-Stuckelberginterferometra71, Pero tambin pueden ser utilizados para otros tipos de interfero-metra-includingFanoandFabry-Perotinterferometry72,73-bycouplingqubits superconductores a una gua de ondas coplanar.Cuando se inyecta en elgua de onda, los fotones interactan con los qubits en el camino, y pueden sercontrolado por el cambio de los campos aplicados elctricos y / o magnticos en laqubits.Estos tomos artificiales, trabajando como espejos ajustables, pueden cambiar elcoeficientes de reflexin y transmisin de los fotones confinados en elgua de onda.Para un sistema que consta de un qubit superconductor en una matriz decavidades acopladas, la transmisin de fotones exhibe una lnea ms generalforma72, Ms all de las formas de lnea de Breit-Wigner y Fano, debido a larelacin de dispersin fotnica no lineal.En un contexto concreto de coincidenciacondicin entre la longitud de onda del fotn y la constante de red72, Los lasrelacin de dispersin fotnica puede convertirse en la transmisin de fotones lineal yLa misin tiene la forma de la lnea de Breit-Wigner, al igual que en una transmisin abiertalnea74.Recientemente, se observ este fenmeno para un superconductorqubit de flujo acoplado a una lnea de transmisin abierta75.Cuando dos super-qubits se colocan en la realizacin de una serie de cavidades acopladas, puedenser utilizado como espejos ajustables para formar un interfermetro de Fabry-Perot73.TalSe espera un interfermetro controlable en el chip para tener diversos aplicacincationes en ptica cuntica.Quantum mediciones no demolicinEn una medicin cuntica, una seal observable de un sistema cuntico esmedido mediante la deteccin del cambio en una observable del detector que esacoplado al sistema cuntico durante el proceso de medicin.Generalmente, el proceso de medicin se perturbe el estado de lasistema cuntico debido a la interaccin entre el sistema y eldetector.Un cuanto no demolicin (QND) medicin noperturbar la evolucin posterior del sistema cuntico;esto puede serlogrado mediante el uso de un tipo particular de sistema de acoplamiento-detector quepreserva los estados propios de la seal observable en el sistema cuntico.En la ptica cuntica, una medicin QND del nmero de fotones puede serimplementado utilizando el efecto Kerr ptico y un tomo de campo de dispersinacoplamiento (vase, por ejemplo, ref. 29).La primera medicin QND xito en un qubit superconductorse puso en prctica mediante el acoplamiento tomo-campo dispersivo tecno-nique16,76.Experimentos recientes77,78mostrar que las mediciones qnd puedetambin ser implementado para un nico qubit superconductor mediante el uso de un no-resonador lineal como el detector.En ref.77, el detector se compone deun SQUID desva con una capacidad, mientras que en la ref.78 el detector era unaamplificador de bifurcacin, que es una unin de Josephson de trabajo rf impulsadacerca del punto de bifurcacin dinmica79.Muy recientemente, una medida QND rpidosurement de un qubit de flujo se llev a cabo en el dbilmente proyectivargimen mediante el empleo de un detector SQUID dc histertica80.Un cunticadispositivo puede tener mltiples qubits, lo que las mediciones QND sobre cunticaestados de mltiples qubits (por ejemplo, los estados enredados) deben ser unaapelando tema para futuras investigaciones.Generacin de exprimido estadosEstados comprimidos se han estudiado ampliamente en la ptica cuntica, y estnse encuentra en estudio en los sistemas de materia condensada.Debido a su sintonizablenonlinearityandlowlossesinthemicrowaveregime, Josephson crucecircuitos superconductores son dispositivos para la produccin de exprimido prometedoresestados.En los circuitos superconductores,LCosciladores han sido exitosamenteusedforquantumcontrolandreadoutdevicesinconjunctionwithsuper-la realizacin de qubits.Como transductores paramtricas (esencialmente, radio-frecuencia auto-osciladores), circuitos tanque resonantes superconductores tienenhan utilizado para medir el estado cuntico de qubits de flujo81.Cuando exprimidoestados se generan en estos circuitos tanque resonante acta como cunticoDetectores de estado, el ruido de los detectores se pueden disminuir por debajo de lalmite cuntico estndar.Un estudio terico reciente82muestra que una super-la realizacin de transductor paramtrico naturalmente puede implementar estaenfoque, ya que puede ser utilizado tanto para producir estados comprimidos y utilizarRECUADRO 3Prueba de la mecnica cuntica consuperconductor macroscpicacircuitosDesigualdad de Bell.La desigualdad de Bell demuestra que las predicciones dela mecnica cuntica pueden contradecir las de variables ocultas localesteoras (vase, por ejemplo, ref 92). Si uno mira a las correlaciones entreespacialmente separada mediciones.Alternativamente se puede afirmar queninguna teora fsica de variables ocultas locales puede reproducir todos lospredicciones de la mecnica cuntica.Las pruebas de la desigualdad de Bell tienenha propuesto, utilizando circuitos superconductores tales como la carga93y sequbits fase94.Recientemente, la violacin de la desigualdad de Bell ha sidoverificado experimentalmente95en qubits de fase.Debido a que la desigualdad de Belles violado por una prediccin de la mecnica cuntica, este experimentoproporciona una fuerte evidencia de que estos superconductor macroscpicacircuitos de hecho se comportan de la mecnica cuntica.Recientes experimentalresultados96,97en estados Greenberger-Horne-Zeilinger no requierenargumentos estadsticos para una violacin de la desigualdad de Bell para ser visto.La desigualdad de Leggett-Garg.Leggett andGarg derivedan inequalityforasingledegreeoffreedomundergoingcoherentoscillationsandbeingmedido en tiempos sucesivos98.La desigualdad Leggett-Garg puede serconsiderarse como una versin temporal de la desigualdad de Bell, y debe serviolados por un sistema de dos niveles cuntica.Muy recientemente, esto ha sidoverificado experimentalmente99utilizando una caja de tensin-conducido (es decir, elCooper-par caja) que acta como un sistema de dos niveles cuntica, demostrando quelas correlaciones de tiempo presentes en la salida del detector violan ladesigualdad.Kochen-Specker teorema.Este teorema elucida el conflictoentre la mecnica cuntica y de variables ocultas no contextualteoras92.Medios no contextualidad que el valor medido de unaobservable es independiente de la eleccin de otros co-medible(De trayecto) observables que son medidos previamente osimultneamente.La mecnica cuntica es no contextual, porquelos resultados dependen del contexto de la medicin.Este teorema es unacomplemento importante para el teorema de Bell;para ello, puede refutar nocontextuales teoras de variables ocultas sin hacer referencia a la localidad.A Laconfirmar tal fenmeno contrario a la intuicin en una escala macroscpica,se propuso100utilizar dos qubits de carga, que son de forma controlableacoplado por un bus de datos de dos niveles construido a partir de un qubit de fase.Los Lasanlisis100demostr que mediante la realizacin cuntica no destructiva conjuntamediciones de dos qubits distintas, el superconductor propuestacircuitos podran demostrar contextualidad cuntica en una macroscpicael nivel.REVISINDE INVESTIGACIN3 0 02 de junio 0 1 1 | VOL 4 7 4 | NATURALEZA | 5 9 5Macmillan Publishers Limited.Todos los derechos reservados 2011

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con el fin de minimizar las fluctuaciones cunticas.Una aplicacin inmediatationofthismethodwouldbetosuppresstheeffectivenoisetemperatureofel amplificador conectado al transductor paramtrico, al menos en lala temperatura nominal de la cmara de enfriamiento.Fases topolgicasUna degeneracin estado cuntico topolgico protegido no puede ser levantada porcualquier perturbaciones locales83.Por tanto, es natural considerar el uso de topo-fases lgicas para aplicaciones que requieren un alto grado de cunticacoherencia.Con circuitos superconductores como bloques de construccin, diferentescelosas artificiales pueden construirse que poseen topolgica interesantefases.Por ejemplo, se ha propuesto que un Josephson triangulargama de conexiones puede tener un estado base doble degenerada, que podraser utilizado para la construccin de qubits topolgicamente protegidas84.Recientemente, unaexperimento85se implement para un dispositivo prototipo que constaba de12 qubits fsicos hechos de uniones Josephson nanoescala.Debido abien puesto a punto las fluctuaciones cunticas, este sistema est protegido contravariaciones de flujo magntico mucho ms all de orden lineal.Esto sugiere quequbits superconductores topolgicamente protegidas son factibles.Tambin, super-Se propusieron los circuitos que llevan a cabo86como una manera de construir el Kitaevmodelo de nido de abeja, el cual requiere que el spin (natural o artificial) encada nodo de una celosa de nido de abeja interacta con sus tres dario ms cercanaBours a travs de tres tipos diferentes de interacciones87.Dependiendo deparmetros de bonos, este modelo giro anisotrpico soporta tanto abelianoy anyons no abelianas, que son partculas que obedecen las estadsticas inusuales(Que no son ni los bosones ni fermiones).Su realizacin proporcionarainteresantes oportunidades para demostrar experimentalmente anyons.Observaciones finalesLos circuitos superconductores que hemos descrito anteriormente contienenUniones Josephson que pueden actuar como inductores no lineales.Usando adecuadamentediseado circuitos superconductores, por lo que es posible fabricarresonadores no lineales de campo controlados, que pueden utilizarse para demostrarel efecto Kerr (ya sea electro-ptico o magneto cuadrtica cuadrticaptica).Si se utilizan estos circuitos como un medio Kerr, se podra llevar a cabouna variedad de la ptica no lineal experimentos, por ejemplo, micro acoplamientoonda fotones, implementar puertas cunticas de qubits de fotones, y per-formando mediciones QND.Circuitos superconductores podra tener muchasotras aplicaciones.Por ejemplo, se ha sugerido que un coplanarla gua de ondas con el conductor central reemplazado por una serie de SQUIDspodra ser utilizado para simular la radiacin Hawking88.De hecho, superconductorcircuitos tienen la ventaja de permitir el estudio de controlable complejodinmica cuntica.Esto podra llevar a simulaciones cunticas y en el chipestudios de fsica de muchos cuerpos.Numerosos nuevos fenmenos y aplicacinlas seguirn siendo descubierto usando circuitos superconductores, ystos desempearn un papel importante en las futuras tecnologas cuntica