Le lien entre les propriétés microscopiques des matériaux et la cohérence des qubits n'est pas bien compris malgré les preuves pratiques que les imperfections des matériaux constituent un obstacle aux applications des qubits supraconducteurs. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Supports de communication , Anjali Premkumar et une équipe de scientifiques en génie électrique, nanomatériaux, la physique et le génie angström à l'Université de Princeton et en Ontario, Canada, mesures combinées de la relaxation des qubits transmon (T 1 ) fois avec spectroscopie, parallèlement à la microscopie de films de niobium polycristallin (Nb) utilisés lors du développement des qubits. Basé sur des films déposés via trois techniques différentes, l'équipe a révélé des corrélations entre les temps de relaxation des qubits transmons et les propriétés intrinsèques du film, y compris la taille des grains pour améliorer la diffusion de l'oxygène le long des joints de grains, tout en augmentant la concentration de sous-oxydes près de la surface. Le rapport de résistance résiduelle des films de niobium polycristallin peut être utilisé comme un facteur de mérite pour comprendre les durées de vie des qubits, et la nouvelle approche ouvre la voie à des améliorations axées sur les matériaux des performances des qubits supraconducteurs.

Matériaux qubit supraconducteurs

Dans ce travail, Premkumar et al. combler le fossé entre les performances qubit et les matériaux microscopiques, basé sur une enquête spécifique aux matériaux et aux dispositifs des qubits transmon. La technologie des qubits supraconducteurs est une plate-forme prometteuse pour le calcul quantique tolérant aux pannes. Les scientifiques ont réalisé des améliorations significatives de la cohérence des qubits grâce à de nouvelles conceptions de dispositifs et à des processus de fabrication améliorés. Néanmoins, les améliorations des performances ont commencé à plafonner car les sources dominantes de décohérence ne sont pas bien comprises. Par conséquent, les recherches sur le sujet se sont intensifiées afin de comprendre les méthodes de limitation des mécanismes de perte dans les matériaux qubit. De nombreuses études ont mis en évidence le rôle des surfaces et des interfaces lors de la décohérence des qubits transmon, y compris les mécanismes proposés qui impliquent des interactions entre le qubit et les objets microscopiques. Pour comprendre les phénomènes, un champ de recherche multidisciplinaire est nécessaire pour étudier les propriétés des matériaux pertinents et leurs liens avec les performances des qubits. Premkumar et al. utilisé la spectroscopie et la microscopie aux rayons X à résolution spatiale pour caractériser les propriétés structurelles et électroniques des couches minces de niobium utilisées dans les dispositifs qubit transmon. L'équipe a détaillé les mécanismes sous-jacents des caractéristiques microscopiques observées aux temps de résistance et de relaxation. Les résultats constituent une étape critique pour connecter les propriétés précises des matériaux à des modèles microscopiques afin d'améliorer les performances des qubits.

L'équipe a effectué une caractérisation des qubits sur des qubits transmons qui sont généralement largement utilisés pour l'informatique quantique et la simulation quantique. La conception du qubit transmon comprend une jonction Josephson avec une fine barrière d'oxyde d'aluminium entre les fils supraconducteurs shuntés par un grand condensateur pour former un qubit cohérent. Les scientifiques peuvent contrôler les transmons dans une plate-forme d'électrodynamique quantique de circuit et mesurer la transmission de surveillance à la fréquence du résonateur, en fonction de l'état du qubit. Au cours de l'étude, Premkumar et al. utilisé trois méthodes de dépôt différentes pour déposer le film de niobium et fabriquer les dispositifs transmon. D'abord, ils ont déposé les matériaux sur des substrats de saphir et utilisé le dépôt par pulvérisation à courant continu pour la fabrication de qubits supraconducteurs. Ils ont ensuite utilisé deux autres méthodes, notamment la pulvérisation cathodique magnétron à impulsions haute puissance (HiPIMS) et optimisé la technique pour améliorer le degré d'ionisation et développer des films plus denses. Les scientifiques ont ensuite caractérisé la dépendance des performances des qubits vis-à-vis des techniques de dépôt à l'aide de mesures de relaxation (T 1 ). Les résultats ont montré une nette différence statistique entre les trois techniques de dépôt, où le niobium pulvérisé a toujours donné les meilleurs résultats, suivi de la méthode HiPIMS optimisée puis de la méthode HiPIMS normale. L'équipe a utilisé une gamme de méthodes de caractérisation pour étudier les films et comprendre les origines microscopiques possibles des différences de cohérence.

Comprendre le matériau de surface

Pour comprendre les oxydes de surface sur les trois types de films de Nb, Premkumar et al. ont utilisé une combinaison de méthodes telles que la spectroscopie de photoémission de rayons X mous et durs et la diffusion de rayons X inélastique par résonance. Les trois types de films ont montré du pentoxyde de niobium (Nb 2 O 5 ) comme constituant principal. Le film pulvérisé contenait l'interface oxyde-métal la plus nette, suivie de la méthode optimisée HiPIMS et de la technique de dépôt de film HiPIMS-normal. Les scientifiques ont également utilisé la diffusion inélastique résonnante des rayons X pour obtenir une sensibilité aux excitations de faible énergie de la structure électronique. Ils ont ensuite corrélé les résultats d'oxyde de surface avec la morphologie de la surface et la taille des grains en utilisant la microscopie électronique à transmission, spectres de perte d'énergie électronique et mesures par microscopie à force atomique pour les trois types de films de Nb. La morphologie proche de la surface du film HiPIMS-normal était visiblement différente, où la couche d'oxyde adhérait aux grains inférieurs. Les spectres de perte d'énergie électronique ont fourni un aperçu des propriétés chimiques près de la surface de l'oxyde-métal, tandis que la microscopie électronique à transmission a mis en évidence les limites des grains de chaque échantillon et la microscopie à force atomique a indiqué des informations supplémentaires sur la morphologie et la taille des grains.

Perspectives

De cette façon, Anjali Premkumar et ses collègues ont noté une corrélation claire entre les temps de relaxation des qubits (T 1 ) et la caractérisation de films de Nb (niobium), y compris le rapport de résistance résiduelle, la taille des grains et la concentration en sous-oxyde de surface. L'équipe a découvert que le temps de relaxation total des qubits était la somme de plusieurs mécanismes; où les films de Nb déposés par des techniques variées dominaient les résultats. L'étude a donc établi un lien significatif entre les performances des qubits transmonaux supraconducteurs et les propriétés des matériaux lors de la fabrication des qubits. Le travail a étudié les variations microscopiques parmi les films minces de Nb déposés à l'aide de trois méthodes de pulvérisation différentes, pour comprendre précisément la taille des grains, intégration et pénétration du sous-oxyde à l'interface oxyde-métal, et la concentration intragrain de sous-oxyde près de la surface. Les résultats de cette étude constituent une base solide pour développer des modèles physiques pouvant guider le développement de matériaux pour les qubits supraconducteurs.

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