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arXiv:2604.01145

FerBo: a noise resilient qubit hybridizing Andreev and fluxonium states

J. J. Caceres, D. Sanz Marco, J. Ortuzar, E. Flurin, C. Urbina, H. Pothier, M. F. Goffman, F. J. Matute-Cañadas, A. Levy Yeyati

cond-mat.mes-hallcond-mat.supr-conquant-phSubmitted Apr 1, 2026• Announced Apr 2, 2026• 0 citations
arXivHTMLPDF

Abstract

We propose a novel superconducting quantum circuit that should be robust against both relaxation and dephasing over a wide and experimentally accessible parameter range. The circuit consists of a parallel arrangement of a large inductance, a small capacitor, and a well-transmitting Josephson weak link. Protection against relaxation arises from the hybridization between the fermionic degree of freedom associated with Andreev levels in the weak link and the bosonic electromagnetic mode of the LC circuit, hence its name: FerBo. Furthermore, as in the fluxonium qubit, delocalization of the wavefunctions in phase space provides resilience against dephasing.

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Hybridisation d'états d'Andreev avec des modes électromagnétiques dans un circuit supraconducteur : le qubit FerBo

Joan Caceres Ramirez

This PhD thesis explores a hybrid semiconductor-superconductor circuit named the FerBo qubit. By replacing the conventional Josephson tunnel junction of a fluxonium with a mesoscopic weak link hosting Andreev bound states, the circuit couples a fermionic degree of freedom to a bosonic electromagnetic mode. This architecture enables a parity-based protection mechanism at zero external flux: the qubit states share the same parity under phase inversion, strongly suppressing the matrix elements of charge and phase operators. Combined with a high-impedance environment provided by the bosonic mode, this offers simultaneous protection against both relaxation and dephasing.This work encompasses both the theoretical modeling and a first experimental realization of this hybrid qubit architecture. Reaching this goal required an incremental approach, starting with the characterization of a standalone Josephson junction array and a conventional fluxonium, and culminating in the implementation of a prototype utilizing a semiconductor nanowire as the weak link. We found that this device operated outside of the protected FerBo regime, and could be described as a tunable nanowire fluxonium. To reach this conclusion, we developed a novel theoretical framework that allowed interpreting the rich spectra of the circuit. This method was designed to efficiently treat the complex hybridization between a few non-linear modes---such as those of transmons or fluxoniums---and the numerous linear modes present in the extended circuit. Validated on a conventional fluxonium, this framework proved essential for identifying transitions and extracting Hamiltonian parameters in both the conventional and the nanowire fluxonium circuits. Together with a theoretical description of the FerBo qubit, this work identifies the multimode design constraints---such as managing readout hybridization and linear-mode interactions---required to achieve hardware-level protection in future hybrid superconducting qubits.

•Jul 3, 2026•0 citations

Hybridisation d'états d'Andreev avec des modes électromagnétiques dans un circuit supraconducteur : le qubit FerBo

Joan Caceres Ramirez

Hybridizing Andreev states with electromagnetic modes in a superconducting circuit : the FerBo qubit Cette thèse de doctorat explore les propriétés d'un circuit hybride semiconducteur-supraconducteur qu'on a appelé le qubit FerBo. En remplaçant la jonction tunnel Josephson conventionnelle d'un fluxonium par un lien faible mésoscopique hébergeant des états liés d'Andreev, le circuit couple un degré de liberté fermionique à un mode électromagnétique bosonique. Cette architecture permet un mécanisme de protection basé sur la parité: à flux externe nul, les états du qubit ont la même parité en phase, ce qui supprime fortement les éléments de matrice des opérateurs de charge et de phase. Combinée à un environnement haute impédance fourni par le mode bosonique, cette propriété apporte une protection simultanée contre la relaxation et le déphasage.Ce travail comprend la modélisation théorique et une première réalisation expérimentale de cette architecture de qubit hybride. Nous avons suivi une approche incrémentale, en commençant par la caractérisation d'un réseau de jonctions Josephson et d'un fluxonium conventionnel, pour aboutir à l'implémentation d'un prototype utilisant un nanofil semiconducteur comme lien faible. Il s'est avéré que le circuit que nous avons mesuré n'a pas atteint le régime protégé, et qu'il pouvait être décrit comme un fluxonium accordable. Pour arriver à cette conclusion, nous avons dû développer une approche théorique novatrice qui permet de comprendre les détails des spectres complexes observés dans l'expérience. Cette méthode a été conçue pour traiter efficacement l'hybridation complexe entre quelques modes non-linéaires --- tels que ceux de transmons ou de fluxoniums --- et les nombreux modes linéaires présents dans le circuit étendu. Validé sur le fluxonium conventionnel, ce cadre s'est avéré essentiel pour identifier les transitions et extraire les paramètres du hamiltonien à la fois pour le fluxonium conventionnel et le fluxonium à nanofil. Associé à une description théorique du qubit FerBo, ce travail identifie les contraintes de conception associées à la présence de nombreux modes --- telles que la gestion de l'hybridation avec le mode de lecture et les interactions avec les modes linéaires --- qu'il est nécessaire de prendre en compte pour atteindre la protection matérielle dans ce type de qubit supraconducteur hybride.

•Jul 3, 2026•0 citations

Hybridisation d'états d'Andreev avec des modes électromagnétiques dans un circuit supraconducteur : le qubit FerBo

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Cette thèse de doctorat explore les propriétés d'un circuit hybride semiconducteur-supraconducteur qu'on a appelé le qubit FerBo. En remplaçant la jonction tunnel Josephson conventionnelle d'un fluxonium par un lien faible mésoscopique hébergeant des états liés d'Andreev, le circuit couple un degré de liberté fermionique à un mode électromagnétique bosonique. Cette architecture permet un mécanisme de protection basé sur la parité: à flux externe nul, les états du qubit ont la même parité en phase, ce qui supprime fortement les éléments de matrice des opérateurs de charge et de phase. Combinée à un environnement haute impédance fourni par le mode bosonique, cette propriété apporte une protection simultanée contre la relaxation et le déphasage.Ce travail comprend la modélisation théorique et une première réalisation expérimentale de cette architecture de qubit hybride. Nous avons suivi une approche incrémentale, en commençant par la caractérisation d'un réseau de jonctions Josephson et d'un fluxonium conventionnel, pour aboutir à l'implémentation d'un prototype utilisant un nanofil semiconducteur comme lien faible. Il s'est avéré que le circuit que nous avons mesuré n'a pas atteint le régime protégé, et qu'il pouvait être décrit comme un fluxonium accordable. Pour arriver à cette conclusion, nous avons dû développer une approche théorique novatrice qui permet de comprendre les détails des spectres complexes observés dans l'expérience. Cette méthode a été conçue pour traiter efficacement l'hybridation complexe entre quelques modes non-linéaires --- tels que ceux de transmons ou de fluxoniums --- et les nombreux modes linéaires présents dans le circuit étendu. Validé sur le fluxonium conventionnel, ce cadre s'est avéré essentiel pour identifier les transitions et extraire les paramètres du hamiltonien à la fois pour le fluxonium conventionnel et le fluxonium à nanofil. Associé à une description théorique du qubit FerBo, ce travail identifie les contraintes de conception associées à la présence de nombreux modes --- telles que la gestion de l'hybridation avec le mode de lecture et les interactions avec les modes linéaires --- qu'il est nécessaire de prendre en compte pour atteindre la protection matérielle dans ce type de qubit supraconducteur hybride.

•Jul 3, 2026•0 citations

Characterization of Loss Mechanisms in a Fluxonium Qubit

Hantao Sun, Feng Wu, Hsiang‐Sheng Ku +9 more

Using a fluxonium qubit with in situ tunability of its Josephson energy, we characterize its energy relaxation at different flux biases as well as different Josephson energy values. The relaxation rate at qubit energy values, ranging more than 1 order of magnitude around the thermal energy ${k}_{B}T$, can be quantitatively explained by a combination of dielectric loss and $1/f$ flux noise with a crossover point. The amplitude of the $1/f$ flux noise is consistent with that extracted from the qubit dephasing measurements at the flux sensitive points. In the dielectric loss dominant regime, the loss is consistent with that arising from the electric dipole interaction with two-level-system (TLS) defects. In particular, by increasing the Josephson energy, thus decreasing the qubit frequency at the flux insensitive spot, we find that the qubit exhibits increasingly weaker coupling to TLS defects, which is desirable for high-fidelity quantum operations. Our work establishes a generic noise model for the design of high coherence fluxonium and future generations of noise resilient superconducting qubits.

arXiv:2302.08110•Physical Review Applied•Sep 8, 2023•23 citations

Multi-mode architectures for noise-resilient superconducting qubits

Alessio Calzona, Matteo Carrega

Abstract Great interest revolves around the development of new strategies to efficiently store and manipulate quantum information in a robust and decoherence-free fashion. Several proposals have been put forward to encode information into qubits that are simultaneously insensitive to relaxation and to dephasing processes. Among all, given their versatility and high-degree of control, superconducting qubits have been largely investigated in this direction. Here, we present a survey on the basic concepts and ideas behind the implementation of novel superconducting circuits with intrinsic protection against decoherence at a hardware level. In particular, the main focus is on multi-mode superconducting circuits, the paradigmatic example being the so-called 0 − π circuit. We report on their working principle and possible physical implementations based on conventional Josephson elements, presenting recent experimental realizations, discussing both fabrication methods and characterizations.

arXiv:2208.02520•Superconductor Science and Technology•Dec 9, 2022•19 citations

Superconducting singlet-triplet qubits

Anatoliy Lotkov, Maria Spethmann, Daniel Loss

Hybrid devices integrating quantum dots with Josephson junctions are gaining interest because they combine spin-based quantum computing with circuit quantum electrodynamics (circuit QED) methods. In particular, Andreev spin qubits have shown significant experimental progress including strong two-qubit coupling, and are predicted to exhibit all-to-all connectivity. Here we propose superconducting singlet-triplet (SST) qubits that rely on parallel-aligned double quantum dots in Josephson junctions. While Andreev spin qubits require spin-orbit interaction to unlock the spin degree-of-freedom, SST qubits do not require spin-orbit interaction, making the advantages of hybrid devices available to a wider range of materials. Similar to Andreev spin qubits, the qubit states couple to the superconducting phase across the junction, which allows for control and readout using circuit QED, and supports all-to-all connectivity. Only $N$ flux lines are required to perform any single- and two-qubit gate among $N$ qubits, and thus the overhead of control lines is small. Finally, linear protection from charge or flux noise makes these qubits interesting candidates for a future quantum processor.

quant-pharXiv:2607.09508•Jul 13, 2026•0 citations
We propose a novel superconducting quantum circuit that should be robust against both relaxation and dephasing over a wide and experimentally accessible parameter range. The circuit consists of a parallel arrangement of a large inductance, a small capacitor, and a well-transmitting Josephson weak link. Protection against relaxation arises from the hybridization between the fermionic degree of freedom associated with Andreev levels in the weak link and the bosonic electromagnetic mode of the LC circuit, hence its name: FerBo. Furthermore, as in the fluxonium qubit, delocalization of the wavefunctions in phase space provides resilience against dephasing.
This PhD thesis explores a hybrid semiconductor-superconductor circuit named the FerBo qubit. By replacing the conventional Josephson tunnel junction of a fluxonium with a mesoscopic weak link hosting Andreev bound states, the circuit couples a fermionic degree of freedom to a bosonic electromagnetic mode. This architecture enables a parity-based protection mechanism at zero external flux: the qubit states share the same parity under phase inversion, strongly suppressing the matrix elements of charge and phase operators. Combined with a high-impedance environment provided by the bosonic mode, this offers simultaneous protection against both relaxation and dephasing.This work encompasses both the theoretical modeling and a first experimental realization of this hybrid qubit architecture. Reaching this goal required an incremental approach, starting with the characterization of a standalone Josephson junction array and a conventional fluxonium, and culminating in the implementation of a prototype utilizing a semiconductor nanowire as the weak link. We found that this device operated outside of the protected FerBo regime, and could be described as a tunable nanowire fluxonium. To reach this conclusion, we developed a novel theoretical framework that allowed interpreting the rich spectra of the circuit. This method was designed to efficiently treat the complex hybridization between a few non-linear modes---such as those of transmons or fluxoniums---and the numerous linear modes present in the extended circuit. Validated on a conventional fluxonium, this framework proved essential for identifying transitions and extracting Hamiltonian parameters in both the conventional and the nanowire fluxonium circuits. Together with a theoretical description of the FerBo qubit, this work identifies the multimode design constraints---such as managing readout hybridization and linear-mode interactions---required to achieve hardware-level protection in future hybrid superconducting qubits.
Hybridizing Andreev states with electromagnetic modes in a superconducting circuit : the FerBo qubit Cette thèse de doctorat explore les propriétés d'un circuit hybride semiconducteur-supraconducteur qu'on a appelé le qubit FerBo. En remplaçant la jonction tunnel Josephson conventionnelle d'un fluxonium par un lien faible mésoscopique hébergeant des états liés d'Andreev, le circuit couple un degré de liberté fermionique à un mode électromagnétique bosonique. Cette architecture permet un mécanisme de protection basé sur la parité: à flux externe nul, les états du qubit ont la même parité en phase, ce qui supprime fortement les éléments de matrice des opérateurs de charge et de phase. Combinée à un environnement haute impédance fourni par le mode bosonique, cette propriété apporte une protection simultanée contre la relaxation et le déphasage.Ce travail comprend la modélisation théorique et une première réalisation expérimentale de cette architecture de qubit hybride. Nous avons suivi une approche incrémentale, en commençant par la caractérisation d'un réseau de jonctions Josephson et d'un fluxonium conventionnel, pour aboutir à l'implémentation d'un prototype utilisant un nanofil semiconducteur comme lien faible. Il s'est avéré que le circuit que nous avons mesuré n'a pas atteint le régime protégé, et qu'il pouvait être décrit comme un fluxonium accordable. Pour arriver à cette conclusion, nous avons dû développer une approche théorique novatrice qui permet de comprendre les détails des spectres complexes observés dans l'expérience. Cette méthode a été conçue pour traiter efficacement l'hybridation complexe entre quelques modes non-linéaires --- tels que ceux de transmons ou de fluxoniums --- et les nombreux modes linéaires présents dans le circuit étendu. Validé sur le fluxonium conventionnel, ce cadre s'est avéré essentiel pour identifier les transitions et extraire les paramètres du hamiltonien à la fois pour le fluxonium conventionnel et le fluxonium à nanofil. Associé à une description théorique du qubit FerBo, ce travail identifie les contraintes de conception associées à la présence de nombreux modes --- telles que la gestion de l'hybridation avec le mode de lecture et les interactions avec les modes linéaires --- qu'il est nécessaire de prendre en compte pour atteindre la protection matérielle dans ce type de qubit supraconducteur hybride.
Cette thèse de doctorat explore les propriétés d'un circuit hybride semiconducteur-supraconducteur qu'on a appelé le qubit FerBo. En remplaçant la jonction tunnel Josephson conventionnelle d'un fluxonium par un lien faible mésoscopique hébergeant des états liés d'Andreev, le circuit couple un degré de liberté fermionique à un mode électromagnétique bosonique. Cette architecture permet un mécanisme de protection basé sur la parité: à flux externe nul, les états du qubit ont la même parité en phase, ce qui supprime fortement les éléments de matrice des opérateurs de charge et de phase. Combinée à un environnement haute impédance fourni par le mode bosonique, cette propriété apporte une protection simultanée contre la relaxation et le déphasage.Ce travail comprend la modélisation théorique et une première réalisation expérimentale de cette architecture de qubit hybride. Nous avons suivi une approche incrémentale, en commençant par la caractérisation d'un réseau de jonctions Josephson et d'un fluxonium conventionnel, pour aboutir à l'implémentation d'un prototype utilisant un nanofil semiconducteur comme lien faible. Il s'est avéré que le circuit que nous avons mesuré n'a pas atteint le régime protégé, et qu'il pouvait être décrit comme un fluxonium accordable. Pour arriver à cette conclusion, nous avons dû développer une approche théorique novatrice qui permet de comprendre les détails des spectres complexes observés dans l'expérience. Cette méthode a été conçue pour traiter efficacement l'hybridation complexe entre quelques modes non-linéaires --- tels que ceux de transmons ou de fluxoniums --- et les nombreux modes linéaires présents dans le circuit étendu. Validé sur le fluxonium conventionnel, ce cadre s'est avéré essentiel pour identifier les transitions et extraire les paramètres du hamiltonien à la fois pour le fluxonium conventionnel et le fluxonium à nanofil. Associé à une description théorique du qubit FerBo, ce travail identifie les contraintes de conception associées à la présence de nombreux modes --- telles que la gestion de l'hybridation avec le mode de lecture et les interactions avec les modes linéaires --- qu'il est nécessaire de prendre en compte pour atteindre la protection matérielle dans ce type de qubit supraconducteur hybride.
Using a fluxonium qubit with in situ tunability of its Josephson energy, we characterize its energy relaxation at different flux biases as well as different Josephson energy values. The relaxation rate at qubit energy values, ranging more than 1 order of magnitude around the thermal energy kBT{k}_{B}TkB​T, can be quantitatively explained by a combination of dielectric loss and 1/f1/f1/f flux noise with a crossover point. The amplitude of the 1/f1/f1/f flux noise is consistent with that extracted from the qubit dephasing measurements at the flux sensitive points. In the dielectric loss dominant regime, the loss is consistent with that arising from the electric dipole interaction with two-level-system (TLS) defects. In particular, by increasing the Josephson energy, thus decreasing the qubit frequency at the flux insensitive spot, we find that the qubit exhibits increasingly weaker coupling to TLS defects, which is desirable for high-fidelity quantum operations. Our work establishes a generic noise model for the design of high coherence fluxonium and future generations of noise resilient superconducting qubits.
Abstract Great interest revolves around the development of new strategies to efficiently store and manipulate quantum information in a robust and decoherence-free fashion. Several proposals have been put forward to encode information into qubits that are simultaneously insensitive to relaxation and to dephasing processes. Among all, given their versatility and high-degree of control, superconducting qubits have been largely investigated in this direction. Here, we present a survey on the basic concepts and ideas behind the implementation of novel superconducting circuits with intrinsic protection against decoherence at a hardware level. In particular, the main focus is on multi-mode superconducting circuits, the paradigmatic example being the so-called 0 − π circuit. We report on their working principle and possible physical implementations based on conventional Josephson elements, presenting recent experimental realizations, discussing both fabrication methods and characterizations.
Hybrid devices integrating quantum dots with Josephson junctions are gaining interest because they combine spin-based quantum computing with circuit quantum electrodynamics (circuit QED) methods. In particular, Andreev spin qubits have shown significant experimental progress including strong two-qubit coupling, and are predicted to exhibit all-to-all connectivity. Here we propose superconducting singlet-triplet (SST) qubits that rely on parallel-aligned double quantum dots in Josephson junctions. While Andreev spin qubits require spin-orbit interaction to unlock the spin degree-of-freedom, SST qubits do not require spin-orbit interaction, making the advantages of hybrid devices available to a wider range of materials. Similar to Andreev spin qubits, the qubit states couple to the superconducting phase across the junction, which allows for control and readout using circuit QED, and supports all-to-all connectivity. Only NNN flux lines are required to perform any single- and two-qubit gate among NNN qubits, and thus the overhead of control lines is small. Finally, linear protection from charge or flux noise makes these qubits interesting candidates for a future quantum processor.