Genoplivende niobium til kvantevidenskab

I årevis blev niobium betragtet som en underperformer, når det kom til superledende qubits. Nu har forskere støttet af Q-NEXT fundet en måde at konstruere en højtydende niob-baseret qubit og drage fordel af niobiums overlegne kvaliteter.

Når det kommer til kvanteteknologi, er niob på vej tilbage.

I de sidste 15 år har niobium siddet på bænken efter at have oplevet et par middelmådige slagteri som et kerne-qubit-materiale.

Qubits er de grundlæggende komponenter i kvanteenheder. Én qubit-type er afhængig af superledning til at behandle information.

Udråbt for sine overlegne kvaliteter som superleder, har niob altid været en lovende kandidat til kvanteteknologier. Forskere fandt imidlertid, at niobium var svært at konstruere som en kerne-qubit-komponent, så det blev henvist til den anden streng på Team Superconducting Qubit.

Nu har en gruppe ledet af Stanford University's David Schuster demonstreret en måde at skabe niobium-baserede qubits, der konkurrerer med det avancerede for deres klasse.

"Vi har vist, at niobium er relevant igen, hvilket udvider mulighederne for, hvad vi kan gøre med qubits," sagde Alexander Anferov fra University of Chicagos afdeling for fysisk videnskab, en af ​​de førende videnskabsmænd bag resultatet.

Teamets arbejde er offentliggjort i Physical Review Applied .

Ved at udnytte niobiums iøjnefaldende funktioner vil forskerne være i stand til at udvide mulighederne for kvantecomputere, netværk og sensorer. Disse kvanteteknologier trækker på kvantefysik til at behandle information på måder, der overgår deres traditionelle modstykker og forventes at forbedre områder så forskellige som medicin, økonomi og kommunikation.

Fordelen med niobium

Når det kommer til superledende qubits, har aluminium regeret. Aluminiumsbaserede superledende qubits kan lagre information i relativt lang tid, før dataene uundgåeligt går i opløsning. Disse længere sammenhængstider betyder mere tid til behandling af information.

De længste kohærenstider for en aluminium-baseret superledende qubit er et par hundrede milliontedele af et sekund. I modsætning hertil har de bedste niob-baserede qubits i de senere år givet kohærenstider, der er 100 gange kortere - nogle få hundrede milliardtedele af et sekund.

På trods af den korte qubit-levetid, holdt niobium attraktioner. En niobium-baseret qubit kan fungere ved højere temperaturer end sin aluminium-modstykke, og vil derfor kræve mindre afkøling. Den kan også fungere på tværs af et otte gange større frekvensområde og et massivt 18.000 gange bredere magnetfeltområde sammenlignet med aluminium-baserede qubits, hvilket udvider menuen af ​​anvendelser for superledende qubit-familien.

I én henseende var der ingen konkurrence mellem de to materialer:Niobiums driftsområde forringede aluminiums. Men i årevis gjorde den korte sammenhængstid den niobium-baserede qubit til en ikke-starter.

"Ingen har virkelig lavet så mange qubits ud af niobium-forbindelser, fordi de var begrænset af deres sammenhæng," sagde Anferov. "Men vores gruppe ønskede at lave en qubit, der kunne arbejde ved højere temperaturer og et større frekvensområde - ved 1 K og 100 gigahertz. Og for begge disse egenskaber er aluminium ikke tilstrækkeligt. Vi havde brug for noget andet."

Så holdet kiggede igen på niobium.

At miste tabet

Specifikt havde de et kig på niobium Josephson-krydset. Josephson-krydset er informationsbehandlingshjertet i den superledende qubit.

I klassisk informationsbehandling kommer data i bits, der enten er 0'ere eller 1'ere. Ved kvanteinformationsbehandling er en qubit en blanding af 0 og 1. Den superledende qubits information "lever" som en blanding af 0 og 1 inde i krydset. Jo længere krydset kan opretholde informationen i den blandede tilstand, jo bedre er krydset og jo bedre qubit.

Josephson-krydset er opbygget som en sandwich, der består af et lag af ikke-ledende materiale klemt mellem to lag superledende metal. En leder er et materiale, der giver let passage for elektrisk strøm. En superleder sparker den et hak op:Den fører elektrisk strøm med nul modstand. Elektromagnetisk energi flyder mellem krydsets ydre lag i blandet kvantetilstand.

Den typiske, pålidelige aluminium Josephson-junction er lavet af to lag aluminium og et mellemlag af aluminiumoxid. En typisk niobiumforbindelse er lavet af to lag niobium og et mellemlag af niobiumoxid.

Schusters gruppe fandt ud af, at krydsets niobiumoxidlag tærede den energi, der kræves for at opretholde kvantetilstande. De identificerede også niobium-forbindelsernes understøttende arkitektur som en stor kilde til energitab, hvilket fik qubittens kvantetilstand til at løbe ud.

Holdets gennembrud involverede både et nyt krydsarrangement og en ny fremstillingsteknik.

Det nye arrangement kaldte på en bekendt ven:aluminium. Designet gjorde op med det energisugende niobiumoxid. Og i stedet for to forskellige materialer brugte den tre. Resultatet var en trelagsforbindelse med lavt tab - niobium, aluminium, aluminiumoxid, aluminium, niobium.

"Vi gjorde denne bedste-af-to-verden-tilgang," sagde Anferov. "Det tynde lag af aluminium kan arve de superledende egenskaber af niobium i nærheden. På denne måde kan vi bruge de dokumenterede kemiske egenskaber af aluminium og stadig have niobiums superledende egenskaber."

Gruppens fremstillingsteknik involverede at fjerne stilladser, der understøttede niobiumforbindelsen i tidligere ordninger. De fandt en måde at vedligeholde krydsets struktur og samtidig slippe af med det tabsfremkaldende, uvedkommende materiale, der hæmmede sammenhængen i tidligere designs.

"Det viser sig, at det bare hjalp at slippe af med skraldet," sagde Anferov.

En ny qubit er født

Efter at have inkorporeret deres nye kryds i superledende qubits, opnåede Schuster-gruppen en kohærenstid på 62 milliontedele af et sekund, 150 gange længere end dens bedst ydende niobium-forgængere. Qubit'erne udviste også en kvalitetsfaktor - et indeks for, hvor godt en qubit lagrer energi - på 2,57 x 10 ⁵ , en 100-fold forbedring i forhold til tidligere niobium-baserede qubits og konkurrencedygtige med aluminium-baserede qubit-kvalitetsfaktorer.

"Vi har lavet dette kryds, der stadig har niobiums gode egenskaber, og vi har forbedret krydsets tabsegenskaber," sagde Anferov. "Vi kan direkte udkonkurrere enhver aluminium qubit, fordi aluminium er et ringere materiale på mange måder. Jeg har nu en qubit, der ikke dør ved højere temperaturer, hvilket er den store kicker."

Resultaterne vil sandsynligvis hæve niobs plads i rækken af ​​superledende qubit-materialer.

"Dette var et lovende første indtog, efter at have genoplivet niobium-kryds," sagde Schuster. "Med niobium-baserede qubits' brede operationelle rækkevidde åbner vi op for et helt nyt sæt af muligheder for fremtidige kvanteteknologier."

Flere oplysninger: Alexander Anferov et al, Forbedret kohærens i optisk definerede niobium trilags-junction qubits, Physical Review Applied (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.024047. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.05883

Leveret af Argonne National Laboratory