了解钽对改进量子处理器的诱人好处

无论是烤蛋糕、盖房子还是开发量子设备，最终产品的质量在很大程度上取决于其成分或基础材料。致力于提高超导量子位(量子计算机的基础)性能的研究人员一直在尝试使用不同的基础材料，以增加量子位的相干寿命。相干时间是衡量一个量子比特保留量子信息多长时间的指标，因此是衡量性能的主要指标。最近，科学家们发现在超导量子比特中使用钽可以使它们表现得更好，但直到现在还没有人能够确定其中的原因。

来自功能纳米材料中心(CFN)、国家同步加速器光源 II (NSLS-II)、量子优势联合设计中心 (C 2 QA)和普林斯顿大学的科学家调查了这些量子比特表现更好的根本原因：解码钽的化学结构。这项工作的结果最近发表在Advanced Science杂志上，将为未来设计更好的量子比特提供关键知识。CFN 和 NSLS-II 是能源部 (DOE) 科学用户设施办公室，位于 DOE 的布鲁克海文国家实验室。2个QA是布鲁克海文牵头的国家级量子信息科学研究中心，普林斯顿大学是其主要合作伙伴。

找到合适的成分

钽是一种独特且用途广泛的金属。它致密、坚硬且易于使用。钽还具有高熔点且耐腐蚀，使其可用于许多商业应用。此外，钽是一种超导体，这意味着它在冷却到足够低的温度时没有电阻，因此可以在没有任何能量损失的情况下承载电流。

基于钽的超导量子比特已经证明了超过半毫秒的创纪录寿命。这比目前部署在大规模量子处理器中的铌和铝制成的量子比特的寿命长五倍。

这些特性使钽成为构建更好的量子比特的优秀候选材料。尽管如此，改进超导量子计算机的目标仍因缺乏对限制量子比特寿命的理解而受阻，这一过程称为退相干。通常认为介电损耗的噪声和微观来源有影响;然而，科学家们不确定究竟为什么以及如何。

普林斯顿大学电气和计算机工程副教授、C 2 QA材料推力负责人 Nathalie de Leon 解释说：“本文的工作是两项平行研究之一，旨在解决量子比特制造中的重大挑战。” “没有人提出一个微观的、原子的损失模型来解释所有观察到的行为，然后能够证明他们的模型限制了特定的设备。这需要精确和定量的测量技术，以及复杂的数据分析。”

令人惊讶的结果

为了更好地了解量子比特退相干的来源，普林斯顿大学和 CFN 的科学家们在蓝宝石衬底上生长和化学处理了钽薄膜。然后，他们将这些样品带到 NSLS-II 的光谱软光束线(SST-1和SST-2 )，使用 X 射线光电子能谱 (XPS) 研究在表面形成的氧化钽。XPS 使用 X 射线将电子踢出样品，并提供有关样品表面附近原子的化学性质和电子状态的线索。科学家们假设，这种氧化钽层的厚度和化学性质在决定量子位相干性方面发挥了作用，因为与量子位中更常用的铌相比，钽的氧化层更薄。

“我们在光束线上测量了这些材料，以便更好地了解发生了什么，”NSLS-II 软 X 射线散射和光谱计划的首席光束线科学家 Andrew Walter 解释说。“曾假设氧化钽层相当均匀，但我们的测量表明它根本不均匀。当你发现一个你意想不到的答案时，它总是更有趣，因为那是你学到东西的时候。”

该团队在钽的表面发现了几种不同种类的氧化钽，这引发了一系列关于如何创造更好的超导量子比特的新问题。是否可以修改这些接口以提高整体设备性能，哪些修改会带来最大的好处?什么样的表面处理可以用来减少损失?

体现协同设计精神

“看到背景截然不同的专家聚在一起解决一个共同的问题，这令人鼓舞，”CFN 的材料科学家兼 C 2 QA 的材料子课题负责人 Mingzhao Liu说。“这是一项高度协作的工作，汇集了我们所有设施之间共享的设施、资源和专业知识。从材料科学的角度来看，制作这些样品并成为这项研究不可或缺的一部分是令人兴奋的。”

Walter 说：“像这样的工作说明了 C 2 QA 的构建方式。来自普林斯顿大学的电气工程师在设备管理、设计、数据分析和测试方面做出了很多贡献。CFN 的材料组种植和加工样品和材料。我在 NSLS-II 的团队对这些材料及其电子特性进行了表征。”

让这些专门小组聚集在一起，不仅使研究进展顺利、更有效率，而且让科学家们在更大的背景下了解他们的工作。学生和博士后能够在几个不同的领域获得宝贵的经验，并以有意义的方式为这项研究做出贡献。

“有时，当材料科学家与物理学家合作时，他们会交出他们的材料并等待结果的回复，”德莱昂说，“但我们的团队正在携手合作，一路开发新方法，可以被广泛用于未来的光束线。”