A qubit was designed that can be fabricated with conventional electron beam lithography and is suited for integration into a large quantum computer. The qubit consists of a micrometer-sized loop with three or four Josephson junctions; the two qubit states have persistent currents of opposite direction. Quantum superpositions of these states are obtained by pulsed microwave modulation of the enclosed magnetic flux by currents in control lines. A superconducting flux transporter allows for controlled transfer between qubits of the flux that is generated by the persistent currents, leading to entanglement of qubit information.

We have observed coherent time evolution between two quantum states of a superconducting flux qubit comprising three Josephson junctions in a loop. The superposition of the two states carrying opposite macroscopic persistent currents is manipulated by resonant microwave pulses. Readout by means of switching-event measurement with an attached superconducting quantum interference device revealed quantum-state oscillations with high fidelity. Under strong microwave driving, it was possible to induce hundreds of coherent oscillations. Pulsed operations on this first sample yielded a relaxation time of 900 nanoseconds and a free-induction dephasing time of 20 nanoseconds. These results are promising for future solid-state quantum computing.

Microwave spectroscopy experiments have been performed on two quantum levels of a macroscopic superconducting loop with three Josephson junctions. Level repulsion of the ground state and first excited state is found where two classical persistent-current states with opposite polarity are degenerate, indicating symmetric and antisymmetric quantum superpositions of macroscopic states. The two classical states have persistent currents of 0.5 microampere and correspond to the center-of-mass motion of millions of Cooper pairs.

In the emerging field of quantum computation and quantum information, superconducting devices are promising candidates for the implementation of solid-state quantum bits or qubits. Single-qubit operations, direct coupling between two qubits, and the realization of a quantum gate have been reported. However, complex manipulation of entangled states - such as the coupling of a two-level system to a quantum harmonic oscillator, as demonstrated in ion/atom-trap experiments or cavity quantum electrodynamics - has yet to be achieved for superconducting devices. Here we demonstrate entanglement between a superconducting flux qubit (a two-level system) and a superconducting quantum interference device (SQUID). The latter provides the measurement system for detecting the quantum states; it is also an effective inductance that, in parallel with an external shunt capacitance, acts as a harmonic oscillator. We achieve generation and control of the entangled state by performing microwave spectroscopy and detecting the resultant Rabi oscillations of the coupled system.

We present the design of a superconducting qubit that has circulating currents of opposite sign as its two states. The circuit consists of three nano-scale aluminum Josephson junctions connected in a superconducting loop and controlled by magnetic fields. The advantages of this qubit are that it can be made insensitive to background charges in the substrate, the flux in the two states can be detected with a SQUID, and the states can be manipulated with magnetic fields. Coupled systems of qubits are also discussed as well as sources of decoherence.

We measure the dispersive energy-level shift of an LC resonator magnetically coupled to a superconducting qubit, which clearly shows that our system operates in the ultrastrong coupling regime. The large mutual kinetic inductance provides a coupling energy of ≈ 0.82 GHz, requiring the addition of counter-rotating-wave terms in the description of the Jaynes-Cummings model. We find a 50 MHz Bloch-Siegert shift when the qubit is in its symmetry point, fully consistent with our analytical model.

We have fabricated an array of ultrasmall tunnel junctions which acts like a turnstile for single electrons. When alternating voltage of frequency f is applied to a gate, one electron is transferred per cycle through the device. This results in a current plateau in the current-voltage characteristic at I=ef. The overall behavior of the device is well explained by the theory of Coulomb blockade of electron tunneling. We discuss the accuracy limitations of this device.

The possible existence of a Kosterlitz-Thouless vortex-antivortex dissociation transition in thin superconducting films is discussed. It is found that in practice the situation should be closely analogous to that predicted for superfluid-helium films. A simple relationship is found between the Kosterlitz-Thouless transition temperature and the sheet resistance. This relationship is compared with the observed broadening of the resistive transition of superconducting films with high sheet resistance.

For a superconductor, charge and phase are dual quantum variables. A phase-slip event in a superconducting nanowire changes the phase difference over the wire by 2π; it is the dual process to Cooper-pair tunnelling in a Josephson junction. Phase slip by thermal activation at high temperatures is well understood1. Phase slip by quantum tunnelling at low temperatures is considered plausible2,3, but experiments on the resistance of nanowires4,5 are inconclusive on this point. Büchler et al. 6 conclude that successive quantum phase slip (QPS) events can be coherent. Here, we demonstrate that, if it exists, coherent QPS is the exact dual to Josephson tunnelling. A narrow nanowire should act as a QPS junction that shows kinetic capacitance, a plasma resonance and current plateaus of interest for nanoelectronic applications. We suggest feasible experiments to unequivocally confirm the existence for coherent QPS.