NPL-wetenschappers hebben, in samenwerking met experts in fysische chemie, ultramoderne elektronen-paramagnetische resonantie (EPR)-technieken ontketend om materialen te begrijpen die relevant zijn voor supergeleidende kwantumcircuits, met resultaten gepubliceerd in een recent artikel in Science Advances .

Supergeleidende kwantumcomputers zijn de afgelopen jaren snel in omvang en complexiteit toegenomen en de focus ligt nu op het demonstreren van fouttolerante, foutgecorrigeerde kwantumcomputers. Vooruitgang wordt momenteel tegengehouden door een relatief korte coherentietijd en state-fidelity van qubits. Deze obstakels worden grotendeels toegeschreven aan materiaaldefecten op atomaire schaal die interageren met de qubits. De oorsprong van deze defecten is notoir moeilijk te onderzoeken vanwege hun kwantumkarakter:ze onthullen zichzelf alleen op de energieschalen en -omstandigheden die relevant zijn voor de qubits zelf en zijn tot nu toe grotendeels ontoegankelijk door technieken die beschikbaar zijn voor materiaalwetenschappers.

Door gebruik te maken van de inherente hoge resolutie van EPR met hoog magnetisch veld, in combinatie met nucleaire spectroscopietechnieken, was het team in staat om een ​​specifiek oppervlakteradicaal op Al₂ te bestuderen. O₃ (een materiaal dat aanwezig is in alle moderne supergeleidende kwantumprocessors) in detail.

De studie onthulde een complexe structuur van de radicaal:een elektronenkoppeling aan meerdere Al-atomen in de Al₂ O₃ rooster evenals vele afzonderlijke waterstofkernen. Dit maakte het op zijn beurt mogelijk om dit radicaal specifiek toe te schrijven aan een oppervlaktedefect. Dit is het eerste experimentele werk dat in staat is om de exacte structuur en inzichten te onthullen in de vormingschemie van dergelijke oppervlaktedefecten die verband houden met het veroorzaken van decoherentie in supergeleidende kwantumcircuits.

Nu we de gedetailleerde eigenschappen van dit defect kennen, kunnen we gaan nadenken over manieren om het tot zwijgen te brengen. Hier lijkt silencing, in tegenstelling tot eliminatie, de meest haalbare route voor toekomstige apparaten met een hogere coherentie, aangezien dit specifieke defect nu wordt beschouwd als intrinsiek aan de chemie die van nature voorkomt op apparaatoppervlakken.

De studie biedt een belangrijke vooruitgang op het gebied van materialen voor kwantumcircuits, omdat het een van de eerste directe routes biedt voor chemische en structurele identificatie van defecten. Tot dusver was het veld sterk afhankelijk van materiaalwetenschap die op geheel verschillende energieschalen en defectconcentraties werkte. Deze technieken kunnen onvolkomenheden aan het licht brengen, maar missen het vermogen om een ​​direct verband bloot te leggen naar defecten die verschijnen en interageren met de kwantumcircuits zelf. We hebben daarom dringend behoefte aan nieuwe materiaalwetenschap die defecten kan begrijpen waar en wanneer ze in kwantumcircuits voorkomen zonder uitgebreide en vaak niet-overtuigende correlatiestudies tussen materialen, fabricageprocessen en apparaatprestaties te hoeven uitvoeren. De methode die in dit onderzoek wordt gepresenteerd, biedt een van de eerste directe routes rond dit probleem.

Sebastian de Graaf, senior onderzoekswetenschapper, NPL zei:"We hebben goede hoop dat ons werk materiaalwetenschappers en scheikundigen over de hele wereld zal motiveren om vergelijkbare technieken toe te passen en te verfijnen om de materialen te bestuderen die worden gebruikt in vastestof-kwantumcircuits. We kunnen nu, in een onderzoek op een eenvoudige manier de impact van een breed scala aan chemische behandelingen met als doel een proces te vinden dat het aantal gedetecteerde defecten vermindert." + Verder verkennen

Direct printen van nanodiamanten op kwantumniveau