Pendant des années, le niobium a été considéré comme un sous-performant en matière de qubits supraconducteurs. Aujourd'hui, les scientifiques soutenus par Q-NEXT ont trouvé un moyen de concevoir un qubit à base de niobium hautes performances et de tirer parti des qualités supérieures du niobium.
En matière de technologie quantique, le niobium fait son grand retour.
Au cours des 15 dernières années, le niobium est resté sur le banc après avoir connu quelques essais médiocres en tant que matériau de base du qubit.
Les qubits sont les composants fondamentaux des appareils quantiques. Un type de qubit s'appuie sur la supraconductivité pour traiter les informations.
Vanté pour ses qualités supérieures en tant que supraconducteur, le niobium a toujours été un candidat prometteur pour les technologies quantiques. Cependant, les scientifiques ont trouvé le niobium difficile à concevoir en tant que composant principal du qubit, il a donc été relégué à la deuxième chaîne de l'équipe Superconducting Qubit.
Aujourd'hui, un groupe dirigé par David Schuster de l'Université de Stanford a démontré un moyen de créer des qubits à base de niobium qui rivalisent avec l'état de l'art de leur classe.
"Nous avons montré que le niobium est à nouveau pertinent, élargissant les possibilités de ce que nous pouvons faire avec les qubits", a déclaré Alexander Anferov de la division des sciences physiques de l'Université de Chicago, l'un des principaux scientifiques du résultat.
Les travaux de l'équipe sont publiés dans Physical Review Applied .
En exploitant les caractéristiques exceptionnelles du niobium, les scientifiques pourront étendre les capacités des ordinateurs, des réseaux et des capteurs quantiques. Ces technologies quantiques s'appuient sur la physique quantique pour traiter les informations d'une manière qui surclasse leurs homologues traditionnelles et devraient améliorer des domaines aussi variés que la médecine, la finance et la communication.
En ce qui concerne les qubits supraconducteurs, l’aluminium a dominé. Les qubits supraconducteurs à base d’aluminium peuvent stocker des informations pendant une période relativement longue avant que les données ne se désintègrent inévitablement. Ces temps de cohérence plus longs signifient plus de temps pour traiter les informations.
Les temps de cohérence les plus longs pour un qubit supraconducteur à base d’aluminium sont de quelques centaines de millionièmes de seconde. En revanche, ces dernières années, les meilleurs qubits à base de niobium ont donné des temps de cohérence 100 fois plus courts, soit quelques centaines de milliardièmes de seconde.
Malgré la courte durée de vie des qubits, le niobium conservait son attrait. Un qubit à base de niobium peut fonctionner à des températures plus élevées que son homologue en aluminium et nécessiterait donc moins de refroidissement. Il peut également fonctionner sur une plage de fréquences huit fois supérieure et une plage de champs magnétiques 18 000 fois plus large que les qubits à base d'aluminium, élargissant ainsi le menu d'utilisations de la famille des qubits supraconducteurs.
Sur un point, il n'y avait pas de compétition entre les deux matériaux :la plage de fonctionnement du niobium dépassait celle de l'aluminium. Mais pendant des années, le court temps de cohérence a fait du qubit à base de niobium un échec.
"Personne n'a vraiment créé autant de qubits à partir de jonctions de niobium, car ils étaient limités par leur cohérence", a déclaré Anferov. "Mais notre groupe voulait créer un qubit capable de fonctionner à des températures plus élevées et sur une plus grande plage de fréquences, à 1 K et 100 gigahertz. Et pour ces deux propriétés, l'aluminium n'est pas suffisant. Il nous fallait autre chose."
L'équipe a donc réexaminé le niobium.
Plus précisément, ils ont examiné la jonction du niobium Josephson. La jonction Josephson est le cœur de traitement de l'information du qubit supraconducteur.
Dans le traitement de l’information classique, les données se présentent sous forme de bits qui sont des 0 ou des 1. Dans le traitement de l'information quantique, un qubit est un mélange de 0 et de 1. Les informations du qubit supraconducteur « vivent » comme un mélange de 0 et de 1 à l'intérieur de la jonction. Plus la jonction peut maintenir les informations dans cet état mixte longtemps, meilleure est la jonction et le qubit.
La jonction Josephson est structurée comme un sandwich, constitué d’une couche de matériau non conducteur coincée entre deux couches de métal supraconducteur. Un conducteur est un matériau qui facilite le passage du courant électrique. Un supraconducteur le fait monter d’un cran :il transporte un courant électrique avec une résistance nulle. L'énergie électromagnétique circule entre les couches externes de la jonction dans l'état quantique mixte.
La jonction Josephson en aluminium typique et fiable est composée de deux couches d'aluminium et d'une couche intermédiaire d'oxyde d'aluminium. Une jonction de niobium typique est constituée de deux couches de niobium et d'une couche intermédiaire d'oxyde de niobium.
Le groupe de Schuster a découvert que la couche d'oxyde de niobium de la jonction sapait l'énergie nécessaire au maintien des états quantiques. Ils ont également identifié l'architecture de support des jonctions en niobium comme une source importante de perte d'énergie, provoquant l'effondrement de l'état quantique du qubit.
La percée de l'équipe impliquait à la fois un nouvel agencement de jonctions et une nouvelle technique de fabrication.
Le nouvel agencement a fait appel à un ami familier :l’aluminium. La conception a supprimé l’oxyde de niobium qui aspire l’énergie. Et au lieu de deux matériaux distincts, elle en a utilisé trois. Le résultat a été une jonction tricouche à faibles pertes :niobium, aluminium, oxyde d'aluminium, aluminium, niobium.
"Nous avons adopté cette approche du meilleur des deux mondes", a déclaré Anferov. "La fine couche d'aluminium peut hériter des propriétés supraconductrices du niobium voisin. De cette façon, nous pouvons utiliser les propriétés chimiques éprouvées de l'aluminium tout en conservant les propriétés supraconductrices du niobium."
La technique de fabrication du groupe impliquait le retrait de l'échafaudage qui soutenait la jonction en niobium dans les projets précédents. Ils ont trouvé un moyen de conserver la structure de la jonction tout en éliminant les matériaux étrangers induisant des pertes et qui nuisaient à la cohérence des conceptions précédentes.
"Il s'avère que le simple fait de se débarrasser des ordures a aidé", a déclaré Anferov.
Après avoir incorporé leur nouvelle jonction dans des qubits supraconducteurs, le groupe Schuster a atteint un temps de cohérence de 62 millionièmes de seconde, soit 150 fois plus long que ses prédécesseurs au niobium les plus performants. Les qubits présentaient également un facteur de qualité (un indice de la capacité d'un qubit à stocker l'énergie) de 2,57 x 10 5 . , une amélioration 100 fois supérieure aux précédents qubits à base de niobium et compétitif par rapport aux facteurs de qualité des qubits à base d'aluminium.
"Nous avons réalisé cette jonction qui possède encore les belles propriétés du niobium, et nous avons amélioré les propriétés de perte de la jonction", a déclaré Anferov. "Nous pouvons directement surpasser n'importe quel qubit d'aluminium car l'aluminium est un matériau inférieur à bien des égards. J'ai maintenant un qubit qui ne meurt pas à des températures plus élevées, ce qui est le plus gros avantage."
Les résultats élèveront probablement la place du niobium dans la gamme des matériaux qubits supraconducteurs.
"Il s'agissait d'une première incursion prometteuse, ayant ressuscité les jonctions du niobium", a déclaré Schuster. "Grâce à la large portée opérationnelle des qubits basés sur le niobium, nous ouvrons un tout nouvel ensemble de capacités pour les futures technologies quantiques."
Plus d'informations : Alexander Anferov et al, Cohérence améliorée dans les qubits de jonction tricouche de niobium définis optiquement, Physical Review Applied (2024). DOI :10.1103/PhysRevApplied.21.024047. Sur arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.05883
Fourni par le Laboratoire National d'Argonne
