Avanceret materialevidenskab til superledende kvantekredsløb

NPL-forskere har i samarbejde med eksperter i fysisk kemi sluppet løs avancerede elektron paramagnetisk resonans (EPR) teknikker til at forstå materialer, der er relevante for superledende kvantekredsløb, med resultater offentliggjort i et nyligt papir i Science Advances .

Superledende kvantecomputere er hurtigt steget i størrelse og kompleksitet i de senere år, og fokus er nu mod at demonstrere fejltolerant fejlkorrigeret kvanteberegning. Fremskridt holdes i øjeblikket tilbage af en relativt kort kohærenstid og qubits tilstand. Disse forhindringer tilskrives i vid udstrækning til atomare skala materialefejl, der interagerer med qubits. Oprindelsen af ​​disse defekter er notorisk svær at udforske på grund af deres kvantenatur:De afslører kun sig selv på de energiskalaer og betingelser, der er relevante for selve qubits, og er indtil videre stort set utilgængelige med teknikker, der er tilgængelige for materialeforskere.

Ved at bruge den iboende høje opløsning tilvejebragt af højmagnetisk felt-EPR, i kombination med nuklear spektroskopi-teknikker, var holdet i stand til at studere et specifikt overfladeradikal på Al₂ O₃ (et materiale, der findes i alle moderne superledende kvanteprocessorer) i detaljer.

Undersøgelsen afslørede en kompleks struktur af radikalet:en elektronkobling til flere Al-atomer i Al₂ O₃ gitter samt mange separate brintkerner. Dette gjorde det igen muligt specifikt at tilskrive denne radikal til en overfladedefekt. Dette er det første eksperimentelle arbejde, der er i stand til at afsløre den nøjagtige struktur og indsigt i dannelseskemien af ​​sådanne overfladedefekter, der er forbundet med at forårsage dekohærens i superledende kvantekredsløb.

Nu, når vi kender de detaljerede egenskaber af denne defekt, kan vi begynde at tænke på måder at dæmpe den på. Her ser lyddæmpning i modsætning til eliminering ud til at være den mest levedygtige rute for fremtidige enheder med højere sammenhæng, da denne særlige defekt nu forstås som værende iboende for den kemi, der naturligt forekommer på enhedsoverflader.

Undersøgelsen præsenterer et vigtigt fremskridt inden for materialer til kvantekredsløb, da det tilbyder en af ​​de første direkte veje til kemisk og strukturel identifikation af defekter. Indtil videre har feltet været stærkt afhængig af materialevidenskab, der opererer ved helt forskellige energiskalaer og defektkoncentrationer. Disse teknikker kan afsløre ufuldkommenheder, men mangler evnen til at afsløre en direkte forbindelse til defekter, der opstår og interagerer med selve kvantekredsløbene. Vi har derfor et presserende behov for ny materialevidenskab, der kan forstå defekter, som og hvor de optræder i kvantekredsløb uden at skulle udføre omfattende, og ofte inkonklusive, sammenhængsundersøgelser mellem materialer, fremstillingsprocesser og enhedens ydeevne. Metoden præsenteret i denne undersøgelse giver en af ​​de første direkte ruter omkring dette problem.

Sebastian de Graaf, seniorforsker, NPL sagde:"Vi håber på, at vores arbejde vil motivere materialeforskere og kemikere over hele verden til at anvende og forfine lignende teknikker til at studere de materialer, der bruges i faststofkvantekredsløb. Vi kan nu, i en Undersøg på en ligetil måde virkningen af ​​en bred vifte af kemiske behandlinger med det formål at finde en proces, der reducerer mængden af ​​defekter, der opdages." + Udforsk yderligere

Direkte udskrivning af nanodiamanter på kvanteniveau