Verständnis der verlockenden Vorteile von Tantal für verbesserte Quantenprozessoren

Ob es darum geht, einen Kuchen zu backen, ein Haus zu bauen oder ein Quantengerät zu entwickeln, die Qualität des Endprodukts hängt maßgeblich von seinen Zutaten oder Grundmaterialien ab. Forscher, die an der Verbesserung der Leistung supraleitender Qubits, der Grundlage von Quantencomputern, arbeiten, haben mit verschiedenen Grundmaterialien experimentiert, um die kohärente Lebensdauer von Qubits zu verlängern.

Die Kohärenzzeit ist ein Maß dafür, wie lange ein Qubit Quanteninformationen speichert, und somit ein primäres Maß für die Leistung. Kürzlich haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Verwendung von Tantal in supraleitenden Qubits zu einer besseren Leistung führt, aber bis jetzt konnte niemand herausfinden, warum.

Wissenschaftler des Center for Functional Nanomaterials (CFN), der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), des Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA) und der Princeton University untersuchten die grundlegenden Gründe für die bessere Leistung dieser Qubits, indem sie sie entschlüsselten chemisches Profil von Tantal.

Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaftwird wichtiges Wissen für die Entwicklung noch besserer Qubits in der Zukunft liefern. CFN und NSLS-II sind Benutzereinrichtungen des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) im Brookhaven National Laboratory des DOE. C2QA ist ein von Brookhaven geleitetes nationales Forschungszentrum für Quanteninformationswissenschaft, dessen wichtiger Partner die Princeton University ist.

Die richtige Zutat finden

Tantal ist ein einzigartiges und vielseitiges Metall. Es ist dicht, hart und leicht zu verarbeiten. Tantal hat außerdem einen hohen Schmelzpunkt und ist korrosionsbeständig, was es für viele kommerzielle Anwendungen nützlich macht. Darüber hinaus ist Tantal ein Supraleiter, was bedeutet, dass es bei Abkühlung auf ausreichend niedrige Temperaturen keinen elektrischen Widerstand aufweist und daher Strom ohne Energieverlust transportieren kann.

Supraleitende Qubits auf Tantalbasis haben eine rekordverdächtige Lebensdauer von mehr als einer halben Millisekunde gezeigt. Das ist fünfmal länger als die Lebensdauer von Qubits aus Niob und Aluminium, die derzeit in großen Quantenprozessoren eingesetzt werden.

Diese Eigenschaften machen Tantal zu einem hervorragenden Kandidatenmaterial für den Bau besserer Qubits. Dennoch wird das Ziel, supraleitende Quantencomputer zu verbessern, durch mangelndes Verständnis darüber behindert, was die Lebensdauer von Qubits begrenzt, ein Prozess, der als Dekohärenz bekannt ist. Es wird allgemein angenommen, dass Lärm und mikroskopische Quellen dielektrischer Verluste dazu beitragen; Wissenschaftler sind sich jedoch nicht sicher, warum und wie genau.

„Die Arbeit in diesem Artikel ist eine von zwei parallelen Studien, die darauf abzielen, eine große Herausforderung bei der Qubit-Herstellung anzugehen“, erklärte Nathalie de Leon, außerordentliche Professorin für Elektro- und Computertechnik an der Princeton University und Leiterin der Materialentwicklung bei C2QA. „Niemand hat ein mikroskopisches, atomistisches Modell für Verluste vorgeschlagen, das das gesamte beobachtete Verhalten erklärt, und konnte dann zeigen, dass sein Modell die Grenzen eines bestimmten Geräts einschränkt. Dies erfordert präzise und quantitative Messtechniken sowie eine ausgefeilte Datenanalyse.“

Überraschende Ergebnisse

Um ein besseres Bild der Quelle der Qubit-Dekohärenz zu erhalten, haben Wissenschaftler von Princeton und CFN Tantalfilme auf Saphirsubstraten gezüchtet und chemisch verarbeitet. Anschließend brachten sie diese Proben zu den Spectroscopy Soft and Tender Beamlines (SST-1 und SST-2) am NSLS-II, um das Tantaloxid, das sich auf der Oberfläche bildete, mithilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zu untersuchen. XPS nutzt Röntgenstrahlen, um Elektronen aus der Probe herauszuschleudern und liefert Hinweise auf die chemischen Eigenschaften und den elektronischen Zustand von Atomen in der Nähe der Probenoberfläche.

Die Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass die Dicke und die chemische Beschaffenheit dieser Tantaloxidschicht eine Rolle bei der Bestimmung der Qubit-Kohärenz spielten, da Tantal im Vergleich zu Niob, das üblicherweise in Qubits verwendet wird, eine dünnere Oxidschicht aufweist.

„Wir haben diese Materialien an den Strahllinien gemessen, um besser zu verstehen, was geschah“, erklärte Andrew Walter, ein leitender Strahllinienwissenschaftler im NSLS-II-Programm für weiche Röntgenstreuung und -spektroskopie. „Man ging davon aus, dass die Tantaloxidschicht ziemlich gleichmäßig war, aber unsere Messungen zeigten, dass sie überhaupt nicht gleichmäßig ist. Es ist immer interessanter, wenn man eine Antwort findet, die man nicht erwartet, denn dann lernt man etwas.“

Das Team fand mehrere verschiedene Arten von Tantaloxiden auf der Oberfläche des Tantals, was eine Reihe neuer Fragen auf dem Weg zur Schaffung besserer supraleitender Qubits aufwirft. Können diese Schnittstellen geändert werden, um die Gesamtleistung des Geräts zu verbessern, und welche Änderungen würden den größten Nutzen bringen? Welche Oberflächenbehandlungen können eingesetzt werden, um Verluste zu minimieren?

Den Geist des Codesigns verkörpern

„Es war inspirierend zu sehen, wie Experten mit sehr unterschiedlichem Hintergrund zusammenkamen, um ein gemeinsames Problem zu lösen“, sagte Mingzhao Liu, Materialwissenschaftler bei CFN und Material-Subthrust-Leiter bei C2QA. „Dies war eine äußerst gemeinschaftliche Anstrengung, bei der die Einrichtungen, Ressourcen und das Fachwissen aller unserer Einrichtungen gebündelt wurden. Aus materialwissenschaftlicher Sicht war es spannend, diese Proben zu erstellen und ein integraler Bestandteil dieser Forschung zu sein.“

Walter sagte: „Eine Arbeit wie diese spricht für die Art und Weise, wie C2QA aufgebaut wurde. Die Elektroingenieure der Princeton University haben viel zur Geräteverwaltung, zum Design, zur Datenanalyse und zum Testen beigetragen. Die Materialgruppe bei CFN wuchs und verarbeitete Proben und Materialien. Meine Gruppe.“ am NSLS-II charakterisierten diese Materialien und ihre elektronischen Eigenschaften.“

Durch die Zusammenführung dieser spezialisierten Gruppen verlief die Studie nicht nur reibungsloser und effizienter, sondern vermittelte den Wissenschaftlern auch ein Verständnis für ihre Arbeit in einem größeren Kontext. Studierende und Postdoktoranden konnten wertvolle Erfahrungen in verschiedenen Bereichen sammeln und auf sinnvolle Weise zu dieser Forschung beitragen.

„Wenn Materialwissenschaftler mit Physikern zusammenarbeiten, geben sie manchmal ihre Materialien ab und warten auf Rückmeldungen zu den Ergebnissen“, sagte de Leon, „aber unser Team arbeitete Hand in Hand und entwickelte auf dem Weg dorthin neue Methoden.“ künftig breit an der Strahllinie eingesetzt werden.