Понимание соблазнительных преимуществ загара

Ученые расшифровывают химический профиль поверхностных оксидов тантала, чтобы понять потери и улучшить производительность кубитов.

Министерство энергетики / Брукхейвенская национальная лаборатория

изображение: Оксид тантала (TaOx) охарактеризован с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.посмотреть больше

Фото: Брукхейвенская национальная лаборатория.

АПТОН, Нью-Йорк — Идет ли речь о выпечке торта, строительстве дома или разработке квантового устройства, качество конечного продукта в значительной степени зависит от его ингредиентов или основных материалов. Исследователи, работающие над улучшением производительности сверхпроводящих кубитов, лежащих в основе квантовых компьютеров, экспериментируют с использованием различных базовых материалов, пытаясь увеличить когерентное время жизни кубитов. Время когерентности — это мера того, как долго кубит сохраняет квантовую информацию, и, следовательно, основной показатель производительности. Недавно ученые обнаружили, что использование тантала в сверхпроводящих кубитах улучшает их работу, но никто не смог определить, почему — до сих пор.

Ученые из Центра функциональных наноматериалов (CFN), Национального источника синхротронного света II (NSLS-II), Центра совместного проектирования квантовых преимуществ (C2QA) и Принстонского университета исследовали фундаментальные причины того, что эти кубиты работают лучше, расшифровывая химический профиль тантала. Результаты этой работы, недавно опубликованные в журнале Advanced Science, предоставят ключевые знания для разработки еще более совершенных кубитов в будущем. CFN и NSLS-II — это объекты управления научных пользователей Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики. C2QA — это национальный исследовательский центр квантовой информатики, возглавляемый Брукхейвеном, ключевым партнером которого является Принстонский университет.

Тантал – уникальный и универсальный металл. Он плотный, твердый и с ним легко работать. Тантал также имеет высокую температуру плавления и устойчив к коррозии, что делает его полезным во многих коммерческих целях. Кроме того, тантал является сверхпроводником, а это означает, что он не имеет электрического сопротивления при охлаждении до достаточно низких температур и, следовательно, может проводить ток без каких-либо потерь энергии.

Сверхпроводящие кубиты на основе тантала продемонстрировали рекордное время жизни — более половины миллисекунды. Это в пять раз дольше, чем время жизни кубитов, изготовленных из ниобия и алюминия, которые в настоящее время используются в крупномасштабных квантовых процессорах.

Эти свойства делают тантал отличным кандидатом на создание более качественных кубитов. Тем не менее, цели по улучшению сверхпроводящих квантовых компьютеров препятствует отсутствие понимания того, что ограничивает время жизни кубитов — процесс, известный как декогеренция. Обычно считается, что свой вклад вносят шум и микроскопические источники диэлектрических потерь; однако ученые не уверены, почему и как.

«Работа в этой статье — одно из двух параллельных исследований, направленных на решение грандиозной проблемы в производстве кубитов», — объяснила Натали де Леон, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Принстонском университете и руководитель отдела материалов C2QA. «Никто не предложил микроскопическую, атомистическую модель потерь, которая объясняет все наблюдаемое поведение, а затем смогла показать, что их модель ограничивает конкретное устройство. Это требует точных и количественных методов измерения, а также сложного анализа данных».

Чтобы получить лучшее представление об источнике декогеренции кубита, ученые из Принстона и CFN вырастили и химически обработали пленки тантала на сапфировых подложках. Затем они доставили эти образцы на мягкие и нежные лучи спектроскопии (SST-1 и SST-2) в NSLS-II, чтобы изучить оксид тантала, образовавшийся на поверхности, с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). XPS использует рентгеновские лучи для выталкивания электронов из образца и дает представление о химических свойствах и электронном состоянии атомов вблизи поверхности образца. Ученые предположили, что толщина и химическая природа этого слоя оксида тантала сыграли роль в определении когерентности кубита, поскольку тантал имеет более тонкий оксидный слой по сравнению с ниобием, который обычно используется в кубитах.