science >> Wetenschap >  >> Fysica

Materialen voor supergeleidende qubits

Transmon qubit-ontwerp en -prestaties. (a) Optisch beeld met valse kleuren van een representatieve transmon-qubit uit onze studie. Niobiumgebieden omvatten de middelste pen van de coplanaire golfgeleiderresonator (groen), de transmon condensator pads (paars), en het grondvlak (grijs). De aluminium Josephson-junctie is in het wit weergegeven. Zwarte vlakken geven aan waar het metaal is weggeëtst, en het saffiersubstraat wordt blootgelegd. (b) Effectief schakelschema van een transmon-qubit gekoppeld aan een resonator. Elk circuitelement is schematisch gekleurd zoals in (a). De resonator bestaat uit een centrale pin die via een condensator (Cr) en een inductor (Lr) met aarde is verbonden. EJ en C verwijzen respectievelijk naar de Josephson-energie en de capaciteit van de qubit. De qubit is capacitief gekoppeld aan de centrale pen van de resonator (Cc) en aan aarde (Cg). (c) Gemeten relaxatietijden (T1) voor drie ronden van apparaten vervaardigd met gesputterde (paarse cirkels), HiPIMS geoptimaliseerd (blauwe ruiten), en HiPIMS normale (groene vierkantjes) niobiumfilms, voor in totaal negen apparaten. Foutbalken geven de standaarddeviatie aan voor alle T1-metingen die op een bepaald apparaat zijn uitgevoerd. Krediet:communicatiemateriaal, 10.1038/s43246-021-00174-7

Het verband tussen microscopische materiaaleigenschappen en qubit-coherentie wordt niet goed begrepen, ondanks praktisch bewijs dat materiële onvolkomenheden een obstakel vormen voor toepassingen van supergeleidende qubits. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op Communicatiematerialen , Anjali Premkumar en een team van wetenschappers in elektrotechniek, nanomaterialen, natuurkunde en angstrom-engineering aan de Princeton University en in Ontario, Canada, gecombineerde metingen van transmon qubit-relaxatie (T 1 ) keer met spectroscopie, naast microscopie van polykristallijne niobium (Nb) -films die worden gebruikt tijdens de ontwikkeling van qubits. Gebaseerd op films die zijn afgezet via drie verschillende technieken, het team onthulde correlaties tussen transmon qubit-relaxatietijden en intrinsieke filmeigenschappen, inclusief korrelgrootte om zuurstofdiffusie langs korrelgrenzen te verbeteren, terwijl ook de concentratie van suboxiden nabij het oppervlak toeneemt. De resterende weerstandsverhouding van de polykristallijne niobiumfilms kan worden gebruikt als een verdienste om de levensduur van qubits te begrijpen, en de nieuwe aanpak schetst een pad voor materiaalgedreven verbeteringen van supergeleidende qubit-prestaties.

Supergeleidende qubit-materialen

In dit werk, Premkumar et al. de kloof tussen qubit-prestaties en microscopische materialen overbrugd, gebaseerd op een materiaal- en apparaatspecifiek onderzoek van transmon-qubits. Supergeleidende qubit-technologie is een veelbelovend platform voor fouttolerante kwantumberekeningen. Wetenschappers hebben aanzienlijke verbeteringen in qubit-coherentie bereikt door nieuwe apparaatontwerpen en verbeterde fabricageprocessen. Hoe dan ook, de prestatieverbeteringen beginnen af ​​​​te vlakken omdat dominante bronnen van decoherentie niet goed worden begrepen. Als resultaat, onderzoek naar dit onderwerp is enorm toegenomen om methoden te begrijpen om verliesmechanismen in qubit-materialen te beperken. Veel studies hebben de rol van oppervlakken en interfaces benadrukt tijdens de decoherentie van transmon-qubits, inclusief voorgestelde mechanismen die interacties tussen de qubit en microscopische objecten met zich meebrengen. Om de verschijnselen te begrijpen, een reikwijdte van multidisciplinair onderzoek is nodig om de relevante materiaaleigenschappen en hun verband met qubit-prestaties te onderzoeken. Premkumar et al. gebruikt ruimtelijk opgeloste röntgenspectroscopie en microscopie om de structurele en elektronische eigenschappen van dunne niobiumfilms die worden gebruikt in transmon-qubit-apparaten te karakteriseren. Het team heeft de mechanismen beschreven die ten grondslag liggen aan de waargenomen microscopische kenmerken voor weerstands- en ontspanningstijden. De resultaten vormen een cruciale stap om precieze materiaaleigenschappen te verbinden met microscopische modellen om de qubit-prestaties te verbeteren.

Röntgenfoto-emissiespectroscopie (PES) van de Nb-films met variërende fotonenergie. (a) Representatief PES-spectrum van de Nb 3d3/2- en 3d5/2-kernniveaus, gemeten op de gesputterde film voor een fotonenergie (hν) van 3330 eV (zwarte stippen) en passen met vijf componenten. (b) Gemeten spectra voor alle drie filmtypes bij 3330 eV, genormaliseerd naar de intensiteit van de Nb2O5-component. Voor elke film de gemeten intensiteit van de Nb (c) en Nb2O5 (d) pieken zijn uitgezet bij verschillende fotonenergieën. De som van de signalen van de verschillende oxidatietoestanden in een bepaalde film wordt genormaliseerd tot één, en de foutbalken tonen een fout van 1%, zoals geschat op basis van de signaal-ruis van gemeten gegevens. De intensiteit van Nb en Nb2O5 neemt toe en af ​​met energie, respectievelijk, wijst op de aanwezigheid van een oxidelaag aan het oppervlak. Krediet:communicatiemateriaal, 10.1038/s43246-021-00174-7

Qubit-ontwerp en prestaties

Het team voerde qubit-karakterisering uit op transmon-qubits die doorgaans veel worden gebruikt voor kwantumcomputing en kwantumsimulatie. Het transmon-qubitontwerp omvat een Josephson-junctie met een dunne aluminiumoxidebarrière tussen de supergeleidende draden die door een grote condensator worden overbrugd om een ​​coherente qubit te vormen. Wetenschappers kunnen de transmonen besturen in een circuit voor kwantumelektrodynamica en de monitoringtransmissie meten op de resonatorfrequentie, als een functie van de qubit-status. Tijdens de studie, Premkumar et al. gebruikte drie verschillende afzettingsmethoden om de niobiumfilm af te zetten en de transmon-apparaten te fabriceren. Eerst, ze deponeerden de materialen op saffiersubstraten en gebruikten gelijkstroom-sputterafzetting voor supergeleidende qubit-fabricage. Vervolgens gebruikten ze twee andere methoden, waaronder krachtige impulsmagnetronsputtering (HiPIMS) en optimaliseerden ze de techniek om de mate van ionisatie te verbeteren en dichtere films te ontwikkelen. De wetenschappers karakteriseerden vervolgens de afhankelijkheid van qubit-prestaties van depositietechnieken met behulp van relaxatiemetingen (T 1 ). De resultaten lieten een duidelijk statistisch verschil zien tussen de drie depositietechnieken, waar het gesputterde niobium consequent het beste presteerde, gevolgd door de geoptimaliseerde HiPIMS-methode en vervolgens de normale HiPIMS-methode. Het team gebruikte een reeks karakteriseringsmethoden om de films te bestuderen en de mogelijke microscopische oorsprong van de coherentieverschillen te begrijpen.

  • Diepteprofielen van de verschillende oxidatietoestanden van Nb. De profielen voor de gesputterde (a), HiPIMS geoptimaliseerd (b), en HiPIMS normale (c) Nb-films werden gereconstrueerd uit PES-gegevens met behulp van een algoritme voor maximale entropie. Elke film toont een oppervlaktelaag van enkele nm Nb2O5, een overgangslaag met verschillende concentraties van verschillende suboxiden, en de Nb-metaalbulk. Vooral, de normale film van HiPIMS toont significante concentraties van NbO en NbO2 in de overgangslaag en diepere penetratie van NbOx in het metaal. Krediet:communicatiemateriaal, 10.1038/s43246-021-00174-7

  • Resonante inelastische röntgenverstrooiing (RIXS) spectra gemeten voor de Nb-films. a RIXS-metingen bij de zuurstof K-randresonantie voor een invallende energie van 531 eV. De inzet toont het O-K-absorptiespectrum van de gesputterde film met een verticale stippellijn bij de resonantie. b Close-up van de RIXS-spectra na aftrekking van de elastische lijn, met de fononendichtheid van toestanden (DOS) berekend voor Nb2O5 uit45. De algemene schaalfactor van de DOS werd gekozen om de visualisatie te vergemakkelijken. Er werd gemeld dat de DOS voortkwam uit zowel niobium als zuurstof tot ≈70 meV, en meestal van zuurstof bij hogere energieën, zoals weergegeven door de blauwe en roze banden, respectievelijk. De lagere intensiteit bij hogere energieën voor de HiPIMS-films duidt op een grotere concentratie van zuurstofvacatures. Krediet:communicatiemateriaal, 10.1038/s43246-021-00174-7

Het oppervlaktemateriaal begrijpen

Om de oppervlakte-oxiden op de drie soorten Nb-films te begrijpen, Premkumar et al. gebruikte een combinatie van methoden zoals zachte en harde röntgenfoto-emissiespectroscopie en resonante inelastische röntgenverstrooiing. Alle drie filmtypes vertoonden niobiumpentoxide (Nb 2 O 5 ) het hoofdbestanddeel zijn. De gesputterde film bevatte het scherpste grensvlak tussen oxide en metaal, gevolgd door de HiPIMS-geoptimaliseerde methode en de HiPIMS-normale filmdepositietechniek. De wetenschappers gebruikten ook resonante inelastische röntgenverstrooiing om gevoeligheid voor laagenergetische excitaties van de elektronische structuur te bereiken. Vervolgens correleerden ze de bevindingen van oppervlakteoxide met oppervlaktemorfologie en korrelgrootte met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, elektronen-energieverliesspectra en atoomkrachtmicroscopiemetingen voor alle drie soorten Nb-films. De bijna-oppervlaktemorfologie van de HiPIMS-normale film was zichtbaar anders, waar de oxidelaag hechtte aan lagere korrels. De elektronen-energieverliesspectra gaven een beeld van chemische eigenschappen nabij het oppervlak van het oxide-metaal, terwijl transmissie-elektronenmicroscopie de korrelgrenzen van elk monster benadrukte en atomaire krachtmicroscopie verdere informatie over de korrelmorfologie en -grootte aangaf.

Structurele en chemische beeldvorming van de drie soorten Nb-film. Alle metingen worden getoond voor de gesputterde, HiPIMS geoptimaliseerd, en HiPIMS normale films, respectievelijk. Panelen (a) - (c) tonen hoge-hoek ringvormige donkerveld scanning transmissie-elektronenmicroscopie (HAADF-STEM) metingen op dwarsdoorsneden van de oppervlakken van de films, onthullen een 5 nm oxidelaag en variaties in korrelgrootte. Panelen (d) - (f) tonen O-K-edge elektronen-energieverliesspectroscopie (EELS) spectra gemeten op de locaties die zijn aangegeven op de HAADF-STEM-afbeeldingen. Voor de gesputterde en HiPIMS-geoptimaliseerde films, zowel de EELS-spectra binnen een korrel (links) als de spectra genomen langs een korrelgrens (rechts) tonen een overgang van een dubbele piek (Nb2O5) naar een enkele piek (suboxiden) naar een verwaarloosbare piek (metaal). Echter, voor de HiPIMS normale film, EELS-spectra langs de korrelgrens onthullen soortgelijke oxidatiepieken als de oxidelaag aan het oppervlak, wat aangeeft dat zuurstof is gediffundeerd in de korrelgrens om oxiden te vormen. Panelen (g) - (i) tonen TEM-helderveldbeelden van dwarsdoorsneden van de oppervlakken van de films, waar de witte stippellijnen korrelgrenzen afbakenen voor de gesputterde en HiPIMS-geoptimaliseerde films, en de gele pijl wijst naar een opening bij de korrelgrens voor de normale HiPIMS-film. de korrelige, lichtgrijze laag boven het oppervlak is platina, die het oppervlak tijdens de monstervoorbereiding beschermt. Panelen (j)–(l) tonen atomic force microscopie (AFM) beelden gemeten over een gebied van 500 nm x 500 nm. Het is visueel duidelijk dat de korrelgrootte van de gesputterde film de grootste is, en de normale filmkorrelgrootte van HiPIMS is het kleinst. Krediet:communicatiemateriaal, 10.1038/s43246-021-00174-7

Outlook

Op deze manier, Anjali Premkumar en collega's merkten een duidelijke correlatie op tussen de qubit-relaxatietijden (T 1 ) en de karakterisering van Nb (niobium) films, inclusief de resterende weerstandsverhouding, korrelgrootte en oppervlaktesuboxideconcentratie. Het team ontdekte dat de totale qubit-relaxatietijd de som is van meerdere mechanismen; waar de Nb-films die met verschillende technieken waren afgezet, de resultaten domineerden. De studie legde daarom een ​​significant verband tussen de prestaties van supergeleidende transmon-qubits en materiaaleigenschappen tijdens de fabricage van qubits. Het werk onderzocht de microscopische variaties tussen Nb-dunne films die waren afgezet met behulp van drie verschillende sputtermethoden, om specifiek de korrelgrootte te begrijpen, suboxide integratie en penetratie op het oxide-metaal grensvlak, en suboxide intragrain concentratie nabij het oppervlak. De uitkomsten van dit onderzoek vormen een solide basis om fysieke modellen te ontwikkelen die richting kunnen geven aan de ontwikkeling van materialen voor supergeleidende qubits.

© 2021 Science X Network




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Bijvangst verantwoordelijk voor achteruitgang Nieuw-Zeelandse zeeleeuw
  2. Bacteriële virussen blijken interactie te hebben met menselijke cellen, studie vondsten
  3. Invasieve superschurkenkrab kan door zijn kieuwen heen eten
  4. Ontrafelen wat genomics kan doen
  5. Zeldzame olifanten redden met toeristische kiekjes
  6. Het verschil tussen Anaphase, Interphase, Metaphase en Prophase
  7. Glycosylering - onbekend terrein in kaart brengen
  8. Parasitaire ooginfectie vormt een aanzienlijke bedreiging voor Britse honden, waarschuw experts
  9. Vrouwelijke wetenschappers die de wereld veranderden

Wetenschap