Ученые из Центра функциональных наноматериалов (CFN), Национального синхротронного источника света II (NSLS-II), Центра совместного проектирования квантовых преимуществ (C²QA) и Принстонский университет исследовали фундаментальные причины, по которым эти кубиты работают лучше, расшифровав химический профиль тантала. Результаты этой работы, которые недавно были опубликованы в журнале Передовая наука, предоставит ключевые знания для проектирования еще более совершенных кубитов в будущем. CFN и NSLS-II являются объектами научного управления Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. C²QA - это национальный исследовательский центр квантовой информатики, возглавляемый Брукхейвеном, ключевым партнером которого является Принстонский университет.

Поиск нужного ингредиента

Тантал - уникальный и универсальный металл. Он плотный, твердый, и с ним легко работать. Тантал также обладает высокой температурой плавления и устойчив к коррозии, что делает его полезным во многих коммерческих областях применения. Кроме того, тантал является сверхпроводником, что означает, что он не обладает электрическим сопротивлением при охлаждении до достаточно низких температур и, следовательно, может пропускать ток без каких-либо потерь энергии.

Сверхпроводящие кубиты на основе тантала продемонстрировали рекордно длительный срок службы - более полумиллисекунды. Это в пять раз больше, чем срок службы кубитов, изготовленных из ниобия и алюминия, которые в настоящее время используются в крупномасштабных квантовых процессорах.

Эти свойства делают тантал отличным материалом-кандидатом для создания более совершенных кубитов. Тем не менее, достижению цели совершенствования сверхпроводящих квантовых компьютеров препятствовало отсутствие понимания того, что ограничивает время жизни кубитов, процесс, известный как декогеренция. Обычно считается, что шум и микроскопические источники диэлектрических потерь вносят свой вклад; однако ученые точно не уверены, почему и как.

"Работа, представленная в этой статье, является одним из двух параллельных исследований, направленных на решение грандиозной задачи в области изготовления кубитов", - объяснила Натали де Леон, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Принстонского университета и руководитель направления материалов C²QA. "Никто не предложил микроскопическую, атомистическую модель потерь, которая объясняла бы все наблюдаемое поведение, а затем смогла показать, что их модель ограничивает конкретное устройство. Это требует точных и количественных методов измерения, а также сложного анализа данных".

Удивительные результаты

Чтобы получить более полное представление об источнике декогеренции кубитов, ученые из Принстона и CFN вырастили и химически обработали пленки тантала на сапфировых подложках. Затем они отнесли эти образцы к спектроскопическим линиям Soft and Tender Beamlines (SST-1 и SST-2) в NSLS-II, чтобы изучить оксид тантала, который образовался на поверхности, с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). XPS использует рентгеновские лучи для выбивания электронов из образца и дает представление о химических свойствах и электронном состоянии атомов вблизи поверхности образца. Ученые выдвинули гипотезу, что толщина и химическая природа этого слоя оксида тантала сыграли определенную роль в определении когерентности кубита, поскольку тантал имеет более тонкий оксидный слой по сравнению с ниобием, который чаще используется в кубитах.

"Мы измерили эти материалы на линиях излучения, чтобы лучше понять, что происходит", - объяснил Эндрю Уолтер, ведущий специалист по линиям излучения в программе NSLS-II по мягкому рассеянию рентгеновских лучей и спектроскопии. "Предполагалось, что слой оксида тантала был довольно однородным, но наши измерения показали, что он вовсе не однороден. Всегда интереснее, когда ты находишь ответ, которого не ожидаешь, потому что именно тогда ты чему-то учишься".

Команда обнаружила несколько различных видов оксидов тантала на поверхности тантала, что вызвало новый набор вопросов на пути к созданию более совершенных сверхпроводящих кубитов. Можно ли модифицировать эти интерфейсы для улучшения общей производительности устройства, и какие модификации принесли бы наибольшую пользу? Какие виды обработки поверхности можно использовать для минимизации потерь?

Воплощающий дух codesign

"Было вдохновляюще видеть, как эксперты с самым разным опытом работы собираются вместе, чтобы решить общую проблему", - сказал Минчжао Лю, специалист по материаловедению в CFN и руководитель направления materials subthrust в C²Контроль качества. "Это была в высшей степени совместная работа, объединившая оборудование, ресурсы и опыт, которыми поделились все наши предприятия. С точки зрения материаловедения, было захватывающе создавать эти образцы и быть неотъемлемой частью этого исследования".

Уолтер сказал: "Подобная работа говорит о том, как C²Контроль качества был построен. Инженеры-электрики из Принстонского университета внесли большой вклад в управление устройствами, проектирование, анализ данных и тестирование. Группа материалов в CFN выращивала и обрабатывала образцы и материалы. Моя группа в NSLS-II охарактеризовала эти материалы и их электронные свойства".

Объединение этих специализированных групп не только способствовало плавному и более эффективному ходу исследования, но и дало ученым понимание их работы в более широком контексте. Студенты и постдоки смогли получить бесценный опыт в нескольких различных областях и внести значимый вклад в это исследование.

"Иногда, когда материаловеды работают с физиками, они передают свои материалы и ждут ответа о результатах, - сказал де Леон, - но наша команда работала рука об руку, попутно разрабатывая новые методы, которые в дальнейшем могли бы широко использоваться на лучевой линии".