Des chercheurs de l'Institut national des technologies de l'information et de la communication (NTIC, Président :Tokuda Hideyuki, Doctorat.), en collaboration avec des chercheurs de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST, Président :Dr Ishimura Kazuhiko) et le Tokai National Higher Education and Research System Nagoya University (Président :Dr Matsuo Seiichi) ont réussi à développer un qubit supraconducteur tout en nitrure en utilisant la croissance épitaxiale sur un substrat de silicium qui n'utilise pas d'aluminium comme matériau conducteur.

Ce qubit utilise du nitrure de niobium (NbN) avec une température de transition supraconductrice de 16 K (-257 °C) comme matériau d'électrode, et du nitrure d'aluminium (AlN) pour la couche isolante de la jonction Josephson. Il s'agit d'un nouveau type de qubit composé de matériaux tout nitrure épitaxiés sur un substrat de silicium et exempt de tout oxyde amorphe, qui sont une source importante de bruit. En réalisant ce nouveau matériau qubit sur un substrat de silicium, des temps de cohérence longs ont été obtenus :un temps de relaxation énergétique ( T 1 ) de 16 microsecondes et un temps de relaxation de phase ( T 2 ) de 22 microsecondes comme valeurs moyennes. C'est environ 32 fois T 1 et environ 44 fois T 2 de qubits supraconducteurs de nitrure cultivés sur un substrat d'oxyde de magnésium conventionnel.

En utilisant le nitrure de niobium comme supraconducteur, il est possible de construire un circuit quantique supraconducteur qui fonctionne de manière plus stable, et il devrait contribuer au développement des ordinateurs quantiques et des nœuds quantiques en tant qu'éléments de base du calcul quantique. Nous continuerons à travailler sur l'optimisation de la structure du circuit et du processus de fabrication, et nous procéderons à la recherche et au développement pour prolonger davantage le temps de cohérence et réaliser une intégration à grande échelle.

Ces résultats ont été publiés dans la revue scientifique britannique Supports de communication le 20 septembre 2021 à 18h00 (heure normale du Japon).

Contexte et défis

Vers la future société 5.0 à venir, il y a des limites à l'amélioration des performances des circuits semi-conducteurs qui ont soutenu la société de l'information jusqu'à présent, et les attentes pour les ordinateurs quantiques augmentent en tant que nouveau paradigme de traitement de l'information qui dépasse ces limites. Cependant, l'état de superposition quantique, indispensable au fonctionnement d'un ordinateur quantique, est facilement détruit par diverses perturbations (bruit), et il est nécessaire d'éliminer correctement ces effets.

Puisque les qubits supraconducteurs sont des éléments à l'état solide, ils ont une excellente flexibilité de conception, l'intégration, et évolutivité, mais ils sont facilement affectés par diverses perturbations dans leur environnement environnant. Le défi est de savoir comment allonger le temps de cohérence, qui est la durée de vie des états de superposition quantique. Divers efforts sont déployés par les instituts de recherche du monde entier pour surmonter ce problème, et la plupart d'entre eux utilisent un film d'aluminium (Al) et d'oxyde d'aluminium (AlO X ) en tant que matériaux qubit supraconducteurs. Cependant, oxyde d'aluminium amorphe, qui est souvent utilisé comme couche isolante, est une préoccupation en tant que source de bruit, et il était essentiel d'étudier des matériaux qui pourraient résoudre ce problème.

Alternative à l'aluminium et à l'oxyde d'aluminium amorphe avec une température de transition supraconductrice T C de 1 K (-272 °C), nitrure de niobium (NbN) épitaxié avec un T C de 16 K (-257 °C), Les NTIC ont développé des qubits supraconducteurs utilisant des jonctions tout nitrure NbN / AlN / NbN, en se concentrant sur le nitrure d'aluminium (AlN) comme couche isolante.

Afin de réaliser une jonction NbN/AlN/NbN Josephson (jonction épitaxiale) dans laquelle l'orientation cristalline est alignée jusqu'à l'électrode supérieure, il a été nécessaire d'utiliser un substrat d'oxyde de magnésium (MgO) dont les constantes de maille cristalline sont relativement proches de celles du NbN. Cependant, MgO a une grande perte diélectrique, et le temps de cohérence du bit quantique supraconducteur utilisant la jonction NbN / AlN / NbN sur

Réalisations

Les NTIC ont réussi à réaliser des jonctions épitaxiales Josephson NbN / AlN / NbN en utilisant du nitrure de titane (TiN) comme couche tampon sur un substrat de silicium (Si) avec une plus petite perte diélectrique. Cette fois, en utilisant cette technologie de fabrication de jonctions, nous avons conçu, fabriqué, et évalué un qubit supraconducteur (voir Figure 1) qui utilise NbN comme matériau d'électrode et AlN comme couche isolante de la jonction Josephson.

Comme le montre schématiquement la figure 1(a), le circuit quantique est fabriqué sur un substrat de silicium de sorte que la cavité hyperfréquence et le qubit puissent être couplés et interagir l'un avec l'autre comme illustré sur la figure 1(b). A partir de la mesure de transmission des caractéristiques hyperfréquences du résonateur faiblement couplé au qubit sous faible fluctuation thermique à la température extrêmement basse de 10 mK, nous avons atteint un temps de relaxation énergétique ( T 1 ) de 18 microsecondes et un temps de relaxation de phase ( T 2 ) de 23 microsecondes. Les valeurs moyennes pour 100 mesures sont T 1 =16 microsecondes et T 2 =22 microsecondes. Il s'agit d'une amélioration d'environ 32 fois pour T 1 et environ 44 fois pour T 2 par rapport au cas des qubits supraconducteurs sur des substrats de MgO.

Pour ce résultat, nous n'avons pas utilisé d'aluminium et d'oxyde d'aluminium conventionnels pour la jonction Josephson, qui est le cœur des qubits supraconducteurs. Nous avons réussi à développer un qubit supraconducteur de nitrure qui a une température critique supraconductrice élevée T C et une excellente cristallinité due à la croissance épitaxiale. Ces deux points ont une grande importance. En particulier, c'est la première fois que quelqu'un au monde réussit à observer des temps de cohérence de l'ordre de quelques dizaines de microsecondes à partir de qubits supraconducteurs de nitrure en réduisant les pertes diélectriques en les faisant croître par épitaxie sur un substrat de Si. Le qubit supraconducteur de ce nitrure est encore aux premiers stades de développement, et nous pensons qu'il est possible d'améliorer encore le temps de cohérence en optimisant le processus de conception et de fabrication du qubit.

En utilisant cette nouvelle plate-forme matérielle qui peut remplacer l'aluminium conventionnel, nous allons accélérer la recherche et le développement du traitement de l'information quantique, qui contribuera à la réalisation d'un traitement de l'information plus économe en énergie et à la réalisation de nœuds quantiques nécessaires à la construction de réseaux quantiques sûrs et sécurisés.

Perspectives

Nous prévoyons de travailler sur l'optimisation de la structure du circuit et du processus de fabrication dans le but d'étendre davantage le temps de cohérence et d'améliorer l'uniformité des caractéristiques des dispositifs en prévision d'une future intégration à grande échelle. De cette façon, nous visons à construire une nouvelle plate-forme pour le matériel quantique qui surpasse les performances des qubits conventionnels à base d'aluminium.