_ Resurrecting niobium for quantum știință

Timp de ani de zile, niobiul a fost considerat un subperformant când a fost vorba de qubiți supraconductori. Acum, oamenii de știință sprijiniți de Q-NEXT au găsit o modalitate de a proiecta un qubit de înaltă performanță pe bază de niobiu și de a profita de calitățile superioare ale niobiului.

Când vine vorba de tehnologia cuantică, niobiul revine.

În ultimii 15 ani, niobiul a stat pe bancă după ce a experimentat câteva lupte mediocre ca material de bază al qubitului.

Qubiții sunt componentele fundamentale ale dispozitivelor cuantice. Un tip de qubit se bazează pe supraconductivitate pentru a procesa informații.

Prezentat pentru calitățile sale superioare ca supraconductor, niobiul a fost întotdeauna un candidat promițător pentru tehnologiile cuantice. Cu toate acestea, oamenii de știință au descoperit că niobiul este dificil de proiectat ca componentă de bază a qubitului, așa că a fost retrogradat pe al doilea șir din Team Superconducting Qubit.

Acum, un grup condus de David Schuster de la Universitatea Stanford a demonstrat o modalitate de a crea qubiți pe bază de niobiu care rivalizează cu cea mai avansată tehnologie pentru clasa lor.

„Am arătat că niobiul este din nou relevant, extinzând posibilitățile pe care le putem face cu qubiții”, a spus Alexander. Anferov de la divizia de științe fizice a Universității din Chicago, unul dintre oamenii de știință principali ai rezultatului.

Lucrările echipei sunt publicate în Physical Review Applied.

Prin valorificarea caracteristicilor remarcabile ale niobiului, oamenii de știință va putea extinde capacitățile computerelor cuantice, rețelelor și senzorilor. Aceste tehnologii cuantice se bazează pe fizica cuantică pentru a procesa informațiile în moduri care îi depășesc pe omologii lor tradiționali și se așteaptă să îmbunătățească domenii la fel de variate precum medicina, finanțele și comunicarea.

Când vine vorba de qubiții supraconductori, aluminiul a domnit. adăpostul. Qubiții supraconductori pe bază de aluminiu pot stoca informații pentru un timp relativ lung înainte ca datele să se dezintegreze în mod inevitabil. Acești timpi de coerență mai lungi înseamnă mai mult timp pentru procesarea informațiilor.

Cei mai lungi timpi de coerență pentru un qubit supraconductor pe bază de aluminiu sunt de câteva sute de milioane de secundă. Prin contrast, în ultimii ani, cei mai buni qubiți pe bază de niobiu au dat timpi de coerență de 100 de ori mai scurti - câteva sute de miliarde de secundă.

În ciuda acestei scurte durate de viață a qubitului, niobiul a păstrat atracții. Un qubit pe bază de niobiu poate funcționa la temperaturi mai ridicate decât omologul său din aluminiu și, prin urmare, ar necesita mai puțină răcire. De asemenea, poate funcționa într-o gamă de frecvență de opt ori mai mare și o gamă masivă de câmp magnetic de 18.000 de ori mai mare în comparație cu qubiții pe bază de aluminiu, extinzând meniul de utilizări pentru familia de qubiți supraconductori.

Într-o privință, nu a existat nicio concurență între cele două materiale: domeniul de operare al Niobiului l-a depășit pe cel al aluminiului. Dar ani de zile, timpul scurt de coerență a făcut din qubitul pe bază de niobiu un neîncepător.

„Nimeni nu a făcut cu adevărat atât de mulți qubiți din joncțiunile de niobiu, deoarece erau limitați de coerența lor”, a spus Anferov. „Dar grupul nostru a vrut să creeze un qubit care să funcționeze la temperaturi mai ridicate și un interval de frecvență mai mare — la 1 K și 100 gigaherți. Și pentru ambele proprietăți, aluminiul nu este suficient. Aveam nevoie de altceva.”

Așadar, echipa s-a uitat din nou la niobiu.

Mai exact, a avut o privire la joncțiunea cu niobiu Josephson. Joncțiunea Josephson este inima de procesare a informațiilor a qubitului supraconductor.

În procesarea clasică a informațiilor, datele vin în biți care sunt fie 0, fie 1. În procesarea informațiilor cuantice, un qubit este un amestec de 0 și 1. Informația qubitului supraconductor „trăiește” ca un amestec de 0 și 1 în interiorul joncțiunii. Cu cât joncțiunea poate susține mai mult informația în acea stare mixtă, cu atât joncțiunea este mai bună și cu atât qubit-ul este mai bun.

joncțiunea Josephson este structurată ca un sandviș, constând dintr-un strat de material neconductor strâns între două straturi de metal supraconductor. Un conductor este un material care asigură trecerea ușoară a curentului electric. Un supraconductor îl ridică cu o crestătură: transportă curent electric cu rezistență zero. Energia electromagnetică curge între straturile exterioare ale joncțiunii în stare cuantică mixtă.

Joncțiunea Josephson tipică, de încredere din aluminiu, este formată din două straturi de aluminiu și un strat mijlociu de oxid de aluminiu. O joncțiune tipică de niobiu este formată din două straturi de niobiu și un strat mijlociu de oxid de niobiu.

Grupul lui Schuster a descoperit că stratul de oxid de niobiu al joncțiunii a redus energia necesară pentru a susține stările cuantice. Ei au identificat, de asemenea, arhitectura de susținere a joncțiunilor de niobiu ca fiind o mare sursă de pierdere de energie, ceea ce face ca starea cuantică a qubitului să dispară.

Descoperirea echipei a implicat atât un nou aranjament de joncțiuni, cât și o nouă tehnică de fabricație.

Noul aranjament a apelat la un prieten cunoscut: aluminiul. Designul a eliminat oxidul de niobiu care suge energie. Și în loc de două materiale distincte, a folosit trei. Rezultatul a fost o joncțiune tristrat cu pierderi reduse – niobiu, aluminiu, oxid de aluminiu, aluminiu, niobiu.

„Am făcut această abordare cea mai bună din ambele lumi”, a spus Anferov. „Stratul subțire de aluminiu poate moșteni proprietățile supraconductoare ale niobiului din apropiere. În acest fel, putem folosi proprietățile chimice dovedite ale aluminiului și avem în continuare proprietățile supraconductoare ale niobiului.”

Tehnica de fabricare a grupului implicată. îndepărtarea schelelor care sprijineau joncțiunea cu niobiu în schemele anterioare. Ei au găsit o modalitate de a menține structura joncțiunii în timp ce scăpa de materialul străin, care induce pierderi, care împiedica coerența în proiectele anterioare.

„Se pare că doar scăparea de gunoi a ajutat”, a spus Anferov.

După ce și-a încorporat noua joncțiune în qubiții supraconductori, grupul Schuster a obținut un timp de coerență de 62 de milioane de secundă, de 150 de ori mai lung decât predecesorii săi cu niobiu cu cele mai bune performanțe. Qubiții au prezentat, de asemenea, un factor de calitate – un indice al cât de bine un qubit stochează energie – de 2,57 x 105, o îmbunătățire de 100 de ori față de qubiții anteriori pe bază de niobiu și competitiv cu factorii de calitate pe bază de aluminiu.

„Am făcut această joncțiune care încă are proprietățile frumoase ale niobiului și am îmbunătățit proprietățile de pierdere ale joncțiunii”, a spus Anferov. „Putem depăși în mod direct orice qubit de aluminiu, deoarece aluminiul este un material inferior în multe privințe. Acum am un qubit care nu moare la temperaturi mai ridicate, ceea ce este cel mai mare impact.”

Rezultatele vor fi probabil. ridică locul niobiului în gama de materiale supraconductoare qubit.

„Aceasta a fost o primă incursiune promițătoare, care a reînviat joncțiunile niobiului”, a spus Schuster. „Cu o acoperire operațională largă a qubiților pe bază de niobiu, deschidem un set complet nou de capabilități pentru viitoarele tehnologii cuantice.”

(Fluierul)