Jarenlang werd niobium beschouwd als een underperformer als het ging om supergeleidende qubits. Nu hebben wetenschappers, ondersteund door Q-NEXT, een manier gevonden om een ​​goed presterende op niobium gebaseerde qubit te ontwikkelen en te profiteren van de superieure eigenschappen van niobium.

Als het om kwantumtechnologie gaat, maakt niobium een ​​comeback.

De afgelopen vijftien jaar heeft niobium op de bank gezeten nadat het een paar middelmatige slagbeurten had meegemaakt als kernqubitmateriaal.

Qubits zijn de fundamentele componenten van kwantumapparaten. Eén qubit-type is afhankelijk van supergeleiding om informatie te verwerken.

Aangeprezen vanwege zijn superieure eigenschappen als supergeleider, is niobium altijd een veelbelovende kandidaat geweest voor kwantumtechnologieën. Wetenschappers vonden het echter moeilijk om niobium te ontwikkelen als kerncomponent van de qubit, dus werd het gedegradeerd naar de tweede reeks op Team Superconducting Qubit.

Nu heeft een groep onder leiding van David Schuster van Stanford University een manier gedemonstreerd om op niobium gebaseerde qubits te maken die kunnen wedijveren met de modernste voor hun klasse.

"We hebben aangetoond dat niobium opnieuw relevant is, waardoor de mogelijkheden van wat we met qubits kunnen doen worden uitgebreid", zegt Alexander Anferov van de afdeling Physical Science van de Universiteit van Chicago, een van de leidende wetenschappers van het resultaat.

Het werk van het team wordt gepubliceerd in Physical Review Applied .

Door de opvallende kenmerken van niobium te benutten, zullen wetenschappers de mogelijkheden van kwantumcomputers, netwerken en sensoren kunnen uitbreiden. Deze kwantumtechnologieën maken gebruik van de kwantumfysica om informatie te verwerken op manieren die hun traditionele tegenhangers overtreffen en zullen naar verwachting gebieden verbeteren die zo uiteenlopend zijn als de geneeskunde, financiën en communicatie.

Het niobiumvoordeel

Als het om supergeleidende qubits gaat, heeft aluminium de boventoon. Op aluminium gebaseerde supergeleidende qubits kunnen informatie relatief lang opslaan voordat de gegevens onvermijdelijk uiteenvallen. Deze langere coherentietijden betekenen meer tijd voor het verwerken van informatie.

De langste coherentietijden voor een op aluminium gebaseerde supergeleidende qubit bedragen enkele honderdmiljoensten van een seconde. Daarentegen hebben de beste op niobium gebaseerde qubits de afgelopen jaren coherentietijden opgeleverd die 100 keer korter zijn:een paar honderd miljardste van een seconde.

Ondanks die korte levensduur van de qubit had niobium aantrekkingskracht. Een op niobium gebaseerde qubit kan bij hogere temperaturen werken dan zijn aluminium tegenhanger, en zou dus minder koeling vereisen. Het kan ook werken over een acht keer groter frequentiebereik en een enorm 18.000 keer breder magnetisch veldbereik vergeleken met op aluminium gebaseerde qubits, waardoor het scala aan toepassingen voor de supergeleidende qubit-familie wordt uitgebreid.

In één opzicht was er geen strijd tussen de twee materialen:het bereik van Niobium overtrof dat van aluminium. Maar jarenlang zorgde de korte coherentietijd ervoor dat de op niobium gebaseerde qubit een nonstarter was.

"Niemand heeft echt zoveel qubits uit niobiumverbindingen gemaakt omdat ze beperkt waren door hun coherentie", zei Anferov. "Maar onze groep wilde een qubit maken die zou kunnen werken bij hogere temperaturen en een groter frequentiebereik – bij 1 K en 100 gigahertz. En voor beide eigenschappen is aluminium niet voldoende. We hadden iets anders nodig."

Het team heeft dus nog eens naar niobium gekeken.

Het verlies verliezen

Concreet keken ze naar de niobium Josephson-kruising. De Josephson-junctie is het informatieverwerkende hart van de supergeleidende qubit.

Bij klassieke informatieverwerking worden gegevens geleverd in bits die nullen of enen zijn. Bij de verwerking van kwantuminformatie is een qubit een mengsel van 0 en 1. De informatie van de supergeleidende qubit "leeft" als een mengsel van 0 en 1 in de kruising. Hoe langer de kruising de informatie in die gemengde toestand kan behouden, hoe beter de kruising en hoe beter de qubit.

De Josephson-junctie is gestructureerd als een sandwich, bestaande uit een laag niet-geleidend materiaal dat tussen twee lagen supergeleidend metaal is geperst. Een geleider is een materiaal dat een gemakkelijke doorgang voor elektrische stroom mogelijk maakt. Een supergeleider gaat nog een stap verder:hij transporteert elektrische stroom zonder weerstand. Elektromagnetische energie stroomt tussen de buitenste lagen van de junctie in de gemengde kwantumtoestand.

De typische, vertrouwde aluminium Josephson-verbinding is gemaakt van twee lagen aluminium en een middelste laag aluminiumoxide. Een typische niobiumverbinding bestaat uit twee lagen niobium en een middelste laag niobiumoxide.

De groep van Schuster ontdekte dat de niobiumoxidelaag van de junctie de energie ondermijnde die nodig was om kwantumtoestanden in stand te houden. Ze identificeerden ook de ondersteunende architectuur van de niobiumverbindingen als een grote bron van energieverlies, waardoor de kwantumtoestand van de qubit uitdoofde.

De doorbraak van het team omvatte zowel een nieuwe verbindingsopstelling als een nieuwe fabricagetechniek.

De nieuwe opstelling deed een beroep op een bekende vriend:aluminium. Het ontwerp maakte een einde aan het energiezuigende niobiumoxide. En in plaats van twee verschillende materialen werden er drie gebruikt. Het resultaat was een drielaagse verbinding met weinig verlies:niobium, aluminium, aluminiumoxide, aluminium, niobium.

"We hebben deze aanpak van het beste van beide werelden gevolgd", zei Anferov. "Het dunne laagje aluminium kan de supergeleidende eigenschappen van het nabijgelegen niobium overnemen. Op deze manier kunnen we de bewezen chemische eigenschappen van aluminium gebruiken en toch de supergeleidende eigenschappen van niobium behouden."

De fabricagetechniek van de groep omvatte het verwijderen van steigers die de niobiumverbinding in eerdere plannen ondersteunden. Ze vonden een manier om de structuur van de verbinding te behouden en tegelijkertijd het verlies veroorzakende, externe materiaal te verwijderen dat de samenhang in eerdere ontwerpen belemmerde.

"Het blijkt dat alleen al het opruimen van het afval heeft geholpen", zei Anferov.

Een nieuwe qubit is geboren

Na het integreren van hun nieuwe verbinding in supergeleidende qubits, behaalde de Schuster-groep een coherentietijd van 62 miljoensten van een seconde, 150 keer langer dan zijn best presterende niobium-voorgangers. De qubits vertoonden ook een kwaliteitsfactor (een index van hoe goed een qubit energie opslaat) van 2,57 x 10 ⁵ , een honderdvoudige verbetering ten opzichte van eerdere op niobium gebaseerde qubits en concurrerend met op aluminium gebaseerde qubit-kwaliteitsfactoren.

"We hebben deze kruising gemaakt die nog steeds de mooie eigenschappen van niobium heeft, en we hebben de verlieseigenschappen van de kruising verbeterd," zei Anferov. "We kunnen direct beter presteren dan welke aluminium qubit dan ook, omdat aluminium in veel opzichten een inferieur materiaal is. Ik heb nu een qubit die niet doodgaat bij hogere temperaturen, en dat is de grote kicker."

De resultaten zullen waarschijnlijk de plaats van niobium in de reeks supergeleidende qubit-materialen verhogen.

"Dit was een veelbelovende eerste poging, waarbij niobiumverbindingen weer tot leven zijn gewekt", zei Schuster. "Met het brede operationele bereik van op niobium gebaseerde qubits openen we een geheel nieuwe reeks mogelijkheden voor toekomstige kwantumtechnologieën."

Meer informatie: Alexander Anferov et al, Verbeterde coherentie in optisch gedefinieerde niobium drielaagse junctiequbits, Fysieke beoordeling toegepast (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.024047. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.05883

Geleverd door Argonne National Laboratory