Wie sich Silizide auf die Leistung von Transmon-Qubits auswirken

So wie der Klang einer Gitarre von ihren Saiten und den für ihren Korpus verwendeten Materialien abhängt, hängt die Leistung eines Quantencomputers von der Zusammensetzung seiner Bausteine ​​ab. Die wohl kritischsten Komponenten sind die Geräte, die Informationen in Quantencomputern kodieren.

Ein solches Gerät ist das Transmon-Qubit – ein gemusterter Chip aus metallischen Niobschichten auf einem Substrat wie Silizium. Zwischen den beiden Materialien befindet sich eine ultradünne Schicht, die sowohl Niob als auch Silizium enthält. Die Verbindungen dieser Schicht sind als Silizide (NbxSiy) bekannt. Ihr Einfluss auf die Leistung von Transmon-Qubits wurde noch nicht gut verstanden – bis jetzt.

Silizide entstehen, wenn elementares Niob während des Herstellungsprozesses eines Transmon-Qubits auf Silizium abgeschieden wird. Sie müssen gut verstanden werden, um Geräte herzustellen, die Quanteninformationen so lange wie möglich zuverlässig und effizient speichern.

Forscher des Zentrums für supraleitende Quantenmaterialien und -systeme, das vom Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums beherbergt wird, haben herausgefunden, wie Silizide die Leistung von Transmon-Qubits beeinflussen. Ihre Forschung wurde in veröffentlicht Materialien zur körperlichen Überprüfung.

Ein unerwartetes Signal

Carlos Torres-Castanedo analysierte die Materialien eines Transmon-Qubits mit Röntgenstrahlen, als er auf ein merkwürdiges Signal stieß.

„Ich dachte, das Signal käme von einem Oberflächenoxid, denn genau das passiert normalerweise“, sagte Torres-Castanedo, Doktorand in Materialwissenschaften an der Northwestern University. „Nachdem ich einen Tag damit verbracht hatte, die Daten an ein Oxid anzupassen, bestand die einzige Möglichkeit darin, eine Niob-Silizid-Schicht einzubringen. Als die Daten perfekt in das Modell passten, zeigte ich meinen Kollegen die Ergebnisse, und wir waren alle begeistert was dies für die Transmon-Qubit-Leistung bedeuten könnte.“

Die Forscher des SQMS Center gingen tiefer. Sie identifizierten die Arten der vorhandenen Silizide, die Dicke der Schicht – typischerweise nur wenige Nanometer dick – und ihre physikalische und chemische Struktur. Nach Abschluss dieser Messungen konzentrierten sie sich darauf herauszufinden, wie diese Verbindungen die Leistung von Qubits beeinflussen.

Die Forscher simulierten verschiedene Arten von Siliziden. Sie fanden nicht nur heraus, dass Silizide die Leistung von Transmon-Qubits beeinträchtigen, sondern sie fanden auch heraus, dass einige schädlicher sind als andere.

Einfluss auf die Kohärenzzeit

Qubits sind die grundlegenden und fragilen Informationseinheiten, die ein Quantencomputer verwendet, um Berechnungen durchzuführen. Sie werden physikalisch durch Transmon-Qubits kodiert.

Ähnlich wie ein Straßenkünstler, der eine A-Note auf einer Gitarrensaite zupft und den Ton erklingen lässt, bevor er durch Straßenlärm verdeckt wird, existiert Quanteninformation in einem Transmon-Qubit für eine begrenzte Zeit, bevor sie sich auflöst oder durch Umgebungslärm verdeckt wird. Diese Zeitspanne wird als Kohärenzzeit bezeichnet. Je länger die Kohärenzzeit, desto besser die Leistung des Transmon-Qubits.

„Diese Schnittstelle wird niemals wie Siliziumstopp, Niobstart sein“, sagte James Rondinelli, Forscher am SQMS Center, Walter Dill Scott Professor für Materialwissenschaft und -technik an der Northwestern University. „Die erste Beobachtung war, dass es keine atomar scharfe Grenzfläche gibt, sondern eher einen Zusammensetzungsgradienten zwischen dem Siliziumsubstrat – das die Plattform für das System darstellt – und dem Niob.“

Mit dieser Beobachtung begannen Rondinelli und seine Gruppe eine detaillierte Computerstudie als Teil größerer Bemühungen des SQMS Centers zur Verbesserung der Qubit-Kohärenzzeiten.

Simulationen mit einem Supercomputer

Mit einer neu entdeckten Neugier, was das Vorhandensein von Siliziden für Transmon-Qubits bedeuten könnte, verwendeten die Forscher einen Supercomputer im National Energy Research Scientific Computing Center, das sich im Lawrence Berkley National Laboratory des DOE befindet.

Stellen Sie sich Silizide als ein dünnes Material in der Gitarre des Straßenkünstlers vor, das den Klang der Gitarrensaite beeinflusst. Forscher, die Transmon-Qubits untersuchen, versuchen im Wesentlichen, eine A-Note zu isolieren und zu sehen, inwieweit das verborgene Material stört.

Einige Silizide haben beispielsweise magnetische Eigenschaften, die die Quanteninformation stören können, die aus dem Transmon-Qubit erklingt. Je stärker der Magnetismus, desto mehr wird die Quanteninformation verschleiert.

Durch Simulationen fanden die Forscher heraus, dass die Silizidverbindung Nb6Si5 keine magnetischen Eigenschaften hat, während Nb5Si3 magnetisches Rauschen einführt. Wenn Silizide immer in Transmon-Qubits vorhanden sein werden, ob es den Forschern gefällt oder nicht, ist Nb6Si5 weniger schädlich, und die Wissenschaftler müssen sich damit begnügen.

„Ich finde es interessant, wie die Forschung zu den Eigenschaften dieser Silizide seit den 80er Jahren untersucht wurde, aber nie in einem Nanometer-großen Film verstanden wurde“, sagte Torres-Castanedo. „Ich bin stolz darauf, dass ich an der Seite meiner Forscherkollegen arbeiten konnte, um diese wichtige Studie durchzuführen.“

Diese Befunde an sich sind signifikant. Im größeren Kontext des Ziels des SQMS-Zentrums, einen hochmodernen Quantencomputer zu entwickeln, haben die Ergebnisse jedoch weitaus mehr Auswirkungen als nur das Verständnis der Eigenschaften von Materialien.

„Die Gemeinschaft, die an supraleitenden Qubits gearbeitet hat, waren traditionell Quantenphysiker und Ingenieure. Der Grund für den Erfolg des SQMS-Zentrums ist, dass sie Materialwissenschaftler umarmten“, sagte Rondinelli. „Um das Feld wirklich voranzutreiben, muss man ein wenig die Perspektive eines Außenstehenden annehmen, um voranzukommen, und wir sind optimistisch, dass unser multidisziplinärer Ansatz diese Herausforderung lösen wird.“