All-nitrid superledende qubit lavet på et silicium substrat

Forskere ved National Institute of Information and Communications Technology (NICT, Præsident:Tokuda Hideyuki, Ph.D.), i samarbejde med forskere ved National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST, Præsident:Dr. Ishimura Kazuhiko) og Tokai National Higher Education and Research System Nagoya University (præsident:Dr. Matsuo Seiichi) har haft succes med at udvikle en superledende qubit af nitrid ved hjælp af epitaksial vækst på et siliciumsubstrat, der ikke bruger aluminium som ledende materiale.

Denne qubit bruger niobiumnitrid (NbN) med en superledende overgangstemperatur på 16 K (-257 °C) som elektrodemateriale, og aluminiumnitrid (AlN) til det isolerende lag af Josephson-forbindelsen. Det er en ny type qubit lavet af nitridmaterialer dyrket epitaksialt på et siliciumsubstrat og fri for amorfe oxider, som er en stor støjkilde. Ved at realisere denne nye materiale-qubit på et siliciumsubstrat, lange kohærenstider er opnået:en energiafspændingstid ( T ₁ ) på 16 mikrosekunder og en faseafslapningstid ( T ₂ ) på 22 mikrosekunder som middelværdier. Det er omkring 32 gange T ₁ og omkring 44 gange T ₂ af nitrid-superledende qubits dyrket på et konventionelt magnesiumoxidsubstrat.

Ved at bruge niobiumnitrid som superleder, det er muligt at konstruere et superledende kvantekredsløb, der fungerer mere stabilt, og det forventes at bidrage til udviklingen af ​​kvantecomputere og kvanteknuder som grundlæggende elementer i kvanteberegning. Vi vil fortsætte med at arbejde på at optimere kredsløbsstrukturen og fremstillingsprocessen, og vi vil fortsætte med forskning og udvikling for yderligere at forlænge sammenhængstiden og realisere storstilet integration.

Disse resultater blev offentliggjort i det britiske videnskabelige tidsskrift Kommunikationsmaterialer den 20. september 2021 kl. 18:00 (Japan standardtid).

Baggrund og udfordringer

Mod den kommende fremtid Society 5.0, der er grænser for ydeevneforbedringen af ​​halvlederkredsløb, der hidtil har understøttet informationssamfundet, og forventningerne til kvantecomputere stiger som et nyt informationsbehandlingsparadigme, der bryder igennem sådanne grænser. Imidlertid, kvantesuperpositionstilstanden, som er uundværlig for driften af ​​en kvantecomputer, ødelægges let af forskellige forstyrrelser (støj), og det er nødvendigt at eliminere disse effekter korrekt.

Da superledende qubits er faststofelementer, de har fremragende designfleksibilitet, integration, og skalerbarhed, men de påvirkes let af forskellige forstyrrelser i deres omgivende miljø. Udfordringen er, hvordan man forlænger sammenhængstiden, som er levetiden for kvantesuperpositionstilstande. Forskellige bestræbelser bliver gjort af forskningsinstitutter rundt om i verden for at overvinde dette problem, og de fleste af dem bruger aluminium (Al) og aluminiumoxidfilm (AlO _x ) som superledende qubit-materialer. Imidlertid, amorft aluminiumoxid, som ofte bruges som et isolerende lag, er en bekymring som støjkilde, og det var vigtigt at studere materialer, der kunne løse dette problem.

Som et alternativ til aluminium og amorft aluminiumoxid med en superledende overgangstemperatur T _C på 1 K (-272 °C), epitaksialt dyrket niobiumnitrid (NbN) med en T _C på 16 K (-257 °C), NICT har udviklet superledende qubits ved hjælp af NbN / AlN / NbN all-nitrid junctions, med fokus på aluminiumnitrid (AlN) som et isolerende lag.

For at realisere en NbN / AlN / NbN Josephson-junction (epitaksial-junction), hvor krystalorienteringen er justeret op til den øvre elektrode, det var nødvendigt at anvende et magnesiumoxid (MgO) substrat, hvis krystalgitterkonstanter er relativt tæt på NbN. Imidlertid, MgO har et stort dielektrisk tab, og kohærenstiden for den superledende kvantebit ved brug af NbN / AlN / NbN krydset på

Præstationer

Det er lykkedes NICT at realisere NbN / AlN / NbN epitaksiale Josephson-forbindelser ved hjælp af titaniumnitrid (TiN) som et bufferlag på et silicium (Si)-substrat med et mindre dielektrisk tab. Denne gang, ved hjælp af denne junction-fabrikationsteknologi, vi har designet, fremstillet, og evaluerede en superledende qubit (se figur 1), der bruger NbN som elektrodemateriale og AlN som det isolerende lag af Josephson-forbindelsen.

Som vist skematisk i figur 1(a), kvantekredsløbet er fremstillet på et siliciumsubstrat, således at mikrobølgehulrummet og qubit'en kan kobles og interagere med hinanden som vist i figur 1(b). Fra transmissionsmålingen af ​​mikrobølgeegenskaberne for resonatoren svagt koblet til qubit under små termiske udsving ved den ekstremt lave temperatur på 10 mK, vi opnåede en energiafspændingstid ( T ₁ ) på 18 mikrosekunder og en faseafslapningstid ( T ₂ ) på 23 mikrosekunder. Middelværdierne for 100 målinger er T ₁ =16 mikrosekunder og T ₂ =22 mikrosekunder. Dette er en forbedring på omkring 32 gange for T ₁ og omkring 44 gange for T ₂ sammenlignet med tilfældet med superledende qubits på MgO-substrater.

For dette resultat, vi brugte ikke konventionelt aluminium og aluminiumoxid til Josephson-krydset, som er hjertet i superledende qubits. Det er lykkedes os at udvikle en nitrid superledende qubit, der har en høj superledende kritisk temperatur T _C og fremragende krystallinitet på grund af epitaksial vækst. Disse to punkter har stor betydning. I særdeleshed, det er første gang, det er lykkedes nogen i verden at observere kohærenstider i titusvis af mikrosekunder fra nitrid-superledende qubits ved at reducere dielektriske tab ved epitaksialt at dyrke dem på et Si-substrat. Den superledende qubit af dette nitrid er stadig i de tidlige udviklingsstadier, og vi mener, at det er muligt at forbedre kohærenstiden yderligere ved at optimere design- og fremstillingsprocessen af ​​qubit.

Ved at bruge denne nye materialeplatform, der kan erstatte konventionelt aluminium, vi vil fremskynde forskning og udvikling af kvanteinformationsbehandling, som vil bidrage til realiseringen af ​​mere strømbesparende informationsbehandling og realiseringen af ​​kvantenoder, der er nødvendige for opbygningen af ​​sikre og sikre kvantenetværk.

Udsigter

Vi planlægger at arbejde på at optimere kredsløbsstrukturen og fremstillingsprocessen med det formål at forlænge kohærenstiden yderligere og forbedre ensartetheden af ​​enhedskarakteristika i forventning om fremtidig integration i stor skala. På denne måde vi sigter mod at bygge en ny platform for kvantehardware, der overgår ydeevnen af ​​konventionelle aluminium-baserede qubits.