Onderzoekers van het Nationaal Instituut voor Informatie- en Communicatietechnologie (NICT, Voorzitter:Tokuda Hideyuki, doctoraat), in samenwerking met onderzoekers van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST, President:Dr. Ishimura Kazuhiko) en het Tokai National Higher Education and Research System Nagoya University (President:Dr. Matsuo Seiichi) zijn erin geslaagd een volledig nitride supergeleidende qubit te ontwikkelen met behulp van epitaxiale groei op een siliciumsubstraat dat geen aluminium gebruikt als de geleidend materiaal.

Deze qubit gebruikt niobiumnitride (NbN) met een supergeleidende overgangstemperatuur van 16 K (-257 °C) als elektrodemateriaal, en aluminiumnitride (AlN) voor de isolerende laag van de Josephson-junctie. Het is een nieuw type qubit gemaakt van volledig nitridematerialen die epitaxiaal op een siliciumsubstraat zijn gegroeid en vrij zijn van amorfe oxiden. die een belangrijke geluidsbron zijn. Door deze nieuwe materiaalqubit te realiseren op een siliciumsubstraat, lange coherentietijden zijn verkregen:een energierelaxatietijd ( t ₁ ) van 16 microseconden en een fase-relaxatietijd ( t ₂ ) van 22 microseconden als de gemiddelde waarden. Dit is ongeveer 32 keer t ₁ en ongeveer 44 keer t ₂ van supergeleidende nitride-qubits gekweekt op een conventioneel magnesiumoxidesubstraat.

Door niobiumnitride als supergeleider te gebruiken, het is mogelijk om een ​​supergeleidend kwantumcircuit te construeren dat stabieler werkt, en het zal naar verwachting bijdragen aan de ontwikkeling van kwantumcomputers en kwantumknooppunten als basiselementen van kwantumberekening. We zullen blijven werken aan het optimaliseren van de circuitstructuur en het fabricageproces, en we gaan door met onderzoek en ontwikkeling om de coherentietijd verder te verlengen en grootschalige integratie te realiseren.

Deze resultaten zijn gepubliceerd in het Britse wetenschappelijke tijdschrift Communicatiematerialen op 20 september 2021 om 18:00 (Japanse standaardtijd).

Achtergrond en uitdagingen

Op weg naar de komende toekomstige Society 5.0, er zijn grenzen aan de prestatieverbetering van halfgeleiderschakelingen die de informatiemaatschappij tot dusver hebben ondersteund, en de verwachtingen voor kwantumcomputers nemen toe als een nieuw paradigma voor informatieverwerking dat dergelijke limieten doorbreekt. Echter, de kwantumsuperpositietoestand, wat onmisbaar is voor de werking van een kwantumcomputer, wordt gemakkelijk vernietigd door verschillende storingen (lawaai), en het is noodzakelijk om deze effecten goed te elimineren.

Omdat supergeleidende qubits vastestofelementen zijn, ze hebben een uitstekende ontwerpflexibiliteit, integratie, en schaalbaarheid, maar ze worden gemakkelijk beïnvloed door verschillende verstoringen in hun omgeving. De uitdaging is hoe de coherentietijd te verlengen, dat is de levensduur van kwantumsuperpositietoestanden. Er worden door onderzoeksinstituten over de hele wereld verschillende inspanningen geleverd om dit probleem op te lossen, en de meeste gebruiken aluminium (Al) en aluminiumoxidefilm (AlO .) _x ) als supergeleidende qubitmaterialen. Echter, amorf aluminiumoxide, die vaak als isolatielaag wordt gebruikt, is een punt van zorg als geluidsbron, en het was essentieel om materialen te bestuderen die dit probleem konden oplossen.

Als alternatief voor aluminium en amorf aluminiumoxide met een supergeleidende overgangstemperatuur t _C van 1 K (-272 °C), epitaxiaal gegroeid niobiumnitride (NbN) met a t _C van 16 K (-257 °C), NICT heeft supergeleidende qubits ontwikkeld met behulp van NbN / AlN / NbN all-nitride-juncties, focus op aluminiumnitride (AlN) als isolerende laag.

Om een ​​NbN / AlN / NbN Josephson-junctie (epitaxiale junctie) te realiseren waarin de kristaloriëntatie is uitgelijnd tot aan de bovenste elektrode, het was noodzakelijk om een ​​magnesiumoxide (MgO) substraat te gebruiken waarvan de kristalroosterconstanten relatief dicht bij die van NbN liggen. Echter, MgO heeft een groot diëlektrisch verlies, en de coherentietijd van de supergeleidende kwantumbit met behulp van de NbN / AlN / NbN-junctie op

Prestaties

NICT is erin geslaagd om NbN / AlN / NbN epitaxiale Josephson-juncties te realiseren met behulp van titaniumnitride (TiN) als bufferlaag op een silicium (Si) substraat met een kleiner diëlektrisch verlies. Deze keer, met behulp van deze verbindingsfabricagetechnologie, wij ontwierpen, gefabriceerd, en evalueerde een supergeleidende qubit (zie figuur 1) die NbN gebruikt als het elektrodemateriaal en AlN als de isolerende laag van de Josephson-overgang.

Zoals schematisch weergegeven in figuur 1 (a), het kwantumcircuit is gefabriceerd op een siliciumsubstraat, zodat de microgolfholte en de qubit kunnen worden gekoppeld en met elkaar kunnen interageren, zoals weergegeven in figuur 1 (b). Uit de transmissiemeting van de microgolfkarakteristieken van de resonator zwak gekoppeld aan de qubit onder kleine thermische fluctuatie bij de extreem lage temperatuur van 10 mK, we bereikten een energie-ontspanningstijd ( t ₁ ) van 18 microseconden en een fase-relaxatietijd ( t ₂ ) van 23 microseconden. De gemiddelde waarden voor 100 metingen zijn: t ₁ =16 microseconden en t ₂ =22 microseconden. Dit is een verbetering van ongeveer 32 keer voor t ₁ en ongeveer 44 keer voor t ₂ vergeleken met het geval van supergeleidende qubits op MgO-substraten.

Voor dit resultaat is we hebben geen conventioneel aluminium en aluminiumoxide gebruikt voor de Josephson-junctie, wat het hart is van supergeleidende qubits. We zijn erin geslaagd een supergeleidende nitride-qubit te ontwikkelen met een hoge kritieke supergeleidende temperatuur t _C en uitstekende kristalliniteit als gevolg van epitaxiale groei. Deze twee punten hebben een grote betekenis. Vooral, het is de eerste keer dat iemand in de wereld erin is geslaagd om coherentietijden in de tientallen microseconden van supergeleidende nitride-qubits waar te nemen door het diëlektrische verlies te verminderen door ze epitaxiaal op een Si-substraat te laten groeien. De supergeleidende qubit van dit nitride bevindt zich nog in de beginfase van ontwikkeling, en we geloven dat het mogelijk is om de coherentietijd verder te verbeteren door het ontwerp- en fabricageproces van de qubit te optimaliseren.

Met behulp van dit nieuwe materiaalplatform dat conventioneel aluminium kan vervangen, we zullen het onderzoek en de ontwikkeling van kwantuminformatieverwerking versnellen, die zal bijdragen aan de realisatie van meer energiebesparende informatieverwerking en de realisatie van quantumknooppunten die nodig zijn voor de aanleg van veilige en beveiligde quantumnetwerken.

vooruitzichten

We zijn van plan om te werken aan het optimaliseren van de circuitstructuur en het fabricageproces met als doel de coherentietijd verder te verlengen en de uniformiteit van apparaatkenmerken te verbeteren, vooruitlopend op toekomstige grootschalige integratie. Op deze manier, we willen een nieuw platform voor kwantumhardware bouwen dat de prestaties van conventionele op aluminium gebaseerde qubits overtreft.