工程师和材料科学家正在研究超亚博网站下载导量子信息位(量子位)——一种基于成对电子无摩擦流动的领先量子计算材料平台——他们已经收集到了关于量子位信息丢失的微观来源的线索。
这种损失是实现量子计算机能够将数百万量子位串在一起进行高要求计算的主要障碍之一。这种大规模的容错系统可以模拟用于药物开发的复杂分子，加速清洁能源新材料的发现，并执行其他任务，这些任务对于当今最强大的超级计算机来说是不可能完成的，或者需要花费大量不切实际的时间(数百万年)。亚博网站下载
原子尺度的缺陷导致量子位信息丢失的本质仍然缺乏理解。团队帮助填补这一差距材料属性和量子位性能通过使用先进的表征能力中心的功能性纳米材料(CFN)和国家同步光源II (NSLS-II),美国能源部(DOE)办公室用户设施布鲁克海文国家实验室。亚博网站下载亚博老虎机网登录他们的结果精确地指出了超导铌量子位元中可能引起损耗的结构和表面化学缺陷。
“超导量子位是一个很有前途的量子计算平台，因为我们可以利用制造普通计算机的相同工具来设计它们的特性，并制造它们，”普林斯顿大学(Princeton University)霍克实验室(Houck Lab)的四年级研究生安贾莉·普莱姆库马尔(Anjali Premkumar)说。普莱姆库马尔是《通信材料》(Communications Materials)上描述这项研究的论文的第一作亚博网站下载者。“然而，它们的一致性时间比其他平台更短。”
换句话说，他们不可能在丢失信息之前保持很久。虽然单个量子位元的相干时间最近从微秒提高到了毫秒，但当多个量子位元串在一起时，相干时间显著缩短。
“量子位相干性受到超导体质量和氧化物的限制，当金属与空气中的氧气接触时，氧化物不可避免地会在超导体上生长，普雷库马尔继续说道。但是，作为量子位工程师，我们还没有很深入地描述我们的材料。亚博网站下载在这里，我们第一次与材料专家合作，他们可以用复杂的工具仔细研究我们的材料的结构和化学。”亚博网站下载
这次合作是量子优势联合设计中心的“前传”2该中心是2020年成立的五个国家量子信息科学中心之一，支持国家量子计划。亚博老虎机网登录在布鲁克海文实验室的领导下，C2QA将硬件和软件工程师、物理学家、材料科学家、理论家和其他国家实验室、大学和行业的专家聚集在一起，以解决量子硬件和软件的性能问题亚博网站下载。通过材料、设备和亚博网站下载软件的协同设计，C2QA团队试图理解并最终控制材料特性以延长相干时间，设计设备以生成更健壮的量子位元，优化算法以针对特定的科学应用，并开发纠错解决方案。
在这项研究中，研究小组通过三种不同的溅射技术制备了铌金属薄膜。在溅射中，高能粒子被射向含有所要材料的目标;yabo214原子从目标材料中喷射出来并落在附近的衬底上。霍克实验室的成员进行了标准(直流电)溅射，而埃斯特奥姆工程公司应用了他们擅长的一种新溅射形式(高功率脉冲磁控管溅射，或HiPIMS)，在这种溅射中，目标被高压能量的短脉冲击中。Angstrom采用了HiPIMS的两种变体:普通和优化的功率和目标衬底几何形状。
回到普林斯顿，Premkumar用这三种溅射薄膜制造了“transmon”量子位器件，并将它们放入稀释冰箱中。在这台冰箱里，温度可以骤降到接近绝对零度(零下459.67华氏度)，使量子位元变成超导。在这些装置中，超导电子对穿过夹在超导铝层之间的氧化铝(约瑟夫森结)的绝缘屏障，超导铝层与蓝宝石上的铌电容垫耦合。当电子对从势垒的一边移动到另一边时，量子位元的状态就会改变。Transmon量子位，由霍克实验室首席研究员和C2QA总监Andrew Houck是超导量子比特的领军人物，因为他们对周围环境中的电场和磁场波动非常不敏感;这种波动会导致量子位信息丢失。
对于三种器件类型中的每一种，Premkumar测量了能量弛豫时间，这是一个与量子位态的稳健性有关的量。
“能量弛豫时间对应于量子比特在第一激发态停留的时间，在它衰变到基态并失去信息之前对信息进行编码，”伊格纳斯·贾里格(Ignace Jarrige)解释道。贾里格曾是NSLS-II的物理学家，现在是亚马逊的量子研究科学家，他领导了布鲁克海文的这个研究小组。
每个设备都有不同的放松时间。为了了解这些差异，该团队在CFN和NSLS-II进行了显微镜和光谱学研究。
NSLS-II束线科学家通过原位软x射线和Operando软x射线光谱(IOS)束线和软和弱光谱(SST-2)束线硬x射线的x射线光谱学测定了铌的氧化态。通过这些光谱学研究，他们确定了位于金属和表面氧化层之间的各种亚氧化物，相对于铌含有较少的氧。
“我们需要NSLS-II的高能量分辨率来区分铌的五种不同氧化态，以及具有不同能级的硬x射线和软x射线，以将这些状态作为深度的函数来描述。”Jarrige解释道。“软x射线产生的光电子只会从表面的前几纳米逃逸，而硬x射线产生的光电子可以从薄膜的深处逃逸。”
在NSLS-II软非弹性x射线散射(SIX)束上，研究小组通过共振非弹性x射线散射(RIXS)识别出氧原子缺失的点。这样的氧空位是缺陷，它可以从量子位元中吸收能量。
在CFN，研究小组使用透射电子显微镜和原子力显微镜观察了薄膜的形态，并通过电子能量损失光谱对薄膜表面附近的局部化学组成进行了表征。
“显微镜图像显示了颗粒——原子排列在同一方向的单个晶体的碎片——大小取决于溅射技术，或大或小。”共同作者黄秀妍(CFN电子显微镜组研究员)解释道。“晶粒越小，晶界或不同晶体取向的界面就越多。根据电子能量损失谱，一个薄膜不仅在表面有氧化物，而且在薄膜本身也有，氧气扩散到晶界。”
他们在CFN和NSLS-II上的实验结果揭示了量子比特弛豫时间与晶界的数量和宽度以及表面附近亚氧化物的浓度之间的相关性。
“晶界是可以耗散能量的缺陷，所以晶界太多会影响电子传输，从而影响量子位元进行计算的能力，”Premkumar说。“氧化物质量是另一个潜在的重要参数。低氧化合物不好是因为电子不能愉快地配对
未来，该团队将继续合作，通过C2QA。其中一个研究方向是探索是否可以通过优化制备工艺来产生较大晶粒尺寸(即最小晶粒边界)和单一氧化态的薄膜来改善弛豫时间。他们还将探索其他超导体，包括钽，其表面氧化物在化学上更为均匀。
“通过这项研究，我们现在有了一个蓝图，让制造量子位的科学家和描述量子位的科学家可以合作，理解限制量子位性能的微观机制，”Premkumar说。“我们希望其他团队也能利用我们的合作方式来推动超导量子位的发展。”
这项工作得到了美国能源部科学办公室、国家科学基金会研究生研究基金、洪堡基金会、国防科学与工亚博老虎机网登录程研究生基金、材料研究科学与工程中心和陆军研究办公室的支持。亚博网站下载本研究使用了美国能源部纳米科学研究中心CFN的电子显微镜、近端探针和理论与计算设备资源。亚博老虎机网登录NSLS-II的SST-2波束由国家标准和技术研究所操作。
来源:https://www.bnl.gov/