Materialer til superledende qubits

Forbindelsen mellem mikroskopiske materialegenskaber og qubit -kohærens er ikke godt forstået på trods af praktisk dokumentation for, at materialefejl udgør en hindring for anvendelser af superledende qubits. I en ny rapport nu offentliggjort den Kommunikationsmaterialer , Anjali Premkumar og et team af forskere inden for elektroteknik, nanomaterialer, fysik og angstrømsteknik ved Princeton University og i Ontario, Canada, kombinerede målinger af transmon qubit -afslapning (T ₁ ) gange med spektroskopi, sammen med mikroskopi af polykrystallinske niob (Nb) film, der blev brugt under qubit -udvikling. Baseret på film deponeret via tre forskellige teknikker, teamet afslørede sammenhænge mellem transmon qubit -afslapningstider og iboende filmegenskaber, herunder kornstørrelse for at forbedre iltdiffusionen langs korngrænser, samtidig med at koncentrationen af ​​suboxider øges nær overfladen. Restmotstandsforholdet for de polykrystallinske niobfilm kan bruges som en fortjenst for at forstå qubit -levetid, og den nye tilgang viser en vej til materialedrevne forbedringer af superledende qubit-ydeevne.

Superledende qubit -materialer

I dette arbejde, Premkumar et al. broede kløften mellem qubit -ydeevne og mikroskopiske materialer, baseret på en materialer-og-enhedsspecifik undersøgelse af transmon qubits. Superledende qubit-teknologi er en lovende platform til fejltolerant kvanteberegning. Forskere har opnået betydelige forbedringer i qubit -sammenhæng gennem nye enhedsdesign og forbedrede fremstillingsprocesser. Alligevel, præstationsforbedringerne er begyndt at komme på plateau, da dominerende kilder til dekoherens ikke er godt forstået. Som resultat, forskning i emnet er steget for at forstå metoder til begrænsning af tabsmekanismer i qubit -materialer. Mange undersøgelser har fremhævet overfladernes og grænsefladernes rolle under decoherens af transmon qubits, herunder foreslåede mekanismer, der involverer interaktioner mellem qubit og mikroskopiske objekter. For at forstå fænomenerne, et omfang af tværfaglig forskning er påkrævet for at undersøge de relevante materialegenskaber og deres forbindelser med qubit -ydeevne. Premkumar et al. brugt rumligt opløst røntgenspektroskopi og mikroskopi til at karakterisere de strukturelle og elektroniske egenskaber ved tynde niobfilm, der bruges i transmon qubit-enheder. Teamet detaljerede de mekanismer, der ligger til grund for de observerede mikroskopiske træk for resistens og afslapningstider. Resultaterne udgør et kritisk trin for at forbinde præcise materialegenskaber med mikroskopiske modeller for at forbedre qubit -ydeevnen.

Teamet udførte qubit -karakterisering på transmon -qubits, der typisk er meget udbredt til kvanteberegning og kvantesimulering. Transmon qubit-designet inkluderer et Josephson-kryds med en tynd aluminiumoxidbarriere mellem de superledende tråde, der er shuntet af en stor kondensator for at danne en sammenhængende qubit. Forskere kan styre transmonerne i en kredsløbskvantelektrodynamisk platform og måle overvågningstransmissionen ved resonatorfrekvensen, som en funktion af qubit -tilstand. Under undersøgelsen Premkumar et al. brugte tre forskellige deponeringsmetoder til at deponere niobfilmen og fremstille transmon -enhederne. Først, de aflejrede materialerne på safirsubstrater og brugte jævnstrømsaflejring til superledende qubit -fremstilling. De brugte derefter to andre metoder, herunder højeffektsimpulsmagnetronforstøvning (HiPIMS) og optimerede teknikken til at forbedre ioniseringsgraden og udvikle tættere film. Forskerne karakteriserede derefter afhængigheden af ​​qubit -ydelse af deponeringsteknikker ved hjælp af afslapningsmålinger (T ₁ ). Resultaterne viste en klar statistisk forskel mellem de tre deponeringsteknikker, hvor det spruttede niob konsekvent udførte det bedste, efterfulgt af den optimerede HiPIMS -metode og derefter den normale HiPIMS -metode. Teamet brugte en række karakteriseringsmetoder til at studere filmene og forstå den mulige mikroskopiske oprindelse af kohærensforskellene.

Forståelse af overfladematerialet

For at forstå overfladeoxiderne på de tre typer Nb -film, Premkumar et al. anvendt en kombination af metoder som blød og hård røntgenfotoemissionsspektroskopi og resonant uelastisk røntgenspredning. Alle tre filmtyper viste niobiumpentoxid (Nb ₂ O ₅ ) at være hovedbestanddelen. Den spruttede film indeholdt den skarpeste oxid-metal-grænseflade, efterfulgt af HiPIMS-optimeret metode og HiPIMS-normal filmaflejringsteknik. Forskerne brugte også resonant uelastisk røntgenspredning for at opnå følsomhed over for lavenergi-excitationer af den elektroniske struktur. De korrelerede derefter overfladeoxidfundene med overflademorfologi og kornstørrelse ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi, elektron-energitabspektre og atomkraftmikroskopimålinger for alle tre typer Nb-film. Morfologien på nær overfladen af ​​HiPIMS-normalfilmen var synligt anderledes, hvor oxidlaget klæbte til lavere korn. Elektron-energitabsspektre gav et udsyn til kemiske egenskaber nær overfladen af ​​oxidmetallet, mens transmissionselektronmikroskopi fremhævede korngrænserne for hver prøve og atomkraftmikroskopi indikerede yderligere information om kornets morfologi og størrelse.

Outlook

På denne måde, Anjali Premkumar og kolleger bemærkede en klar sammenhæng mellem qubit -afslapningstiderne (T ₁ ) og karakteriseringen af ​​Nb (niobium) film, inklusive restmotstandsforholdet, kornstørrelse og overfladesuboxidkoncentration. Holdet fandt den samlede qubit -afslapningstid til at være summen af ​​flere mekanismer; hvor Nb -filmene deponeret ved forskellige teknikker dominerede resultaterne. Undersøgelsen etablerede derfor en betydelig forbindelse mellem ydeevnen af ​​superledende transmon qubits og materialegenskaber under qubit -fremstilling. Arbejdet undersøgte de mikroskopiske variationer blandt Nb tynde film aflejret ved hjælp af tre forskellige forstøvningsmetoder, for specifikt at forstå kornstørrelsen, suboxidintegration og penetration ved oxid-metal-grænsefladen, og suboxid -intragrain -koncentration nær overfladen. Resultaterne af denne undersøgelse danner et solidt grundlag for at udvikle fysiske modeller, der kan styre udviklingen af ​​materialer til superledende qubits.

© 2021 Science X Network