Transmon qubit design och prestanda. (a) Falsk färgoptisk bild av en representativ transmon qubit från vår studie. Niobiumregioner inkluderar mittstiftet på den samplanära vågledarresonatorn (grön), transmon kondensator kuddar (lila), och markplanet (grått). Aluminium Josephson -korsningen visas i vitt. Svarta områden indikerar var metallen har etsats bort, och safirsubstratet exponeras. (b) Effektivt kretsschema för en transmon qubit kopplad till en resonator. Varje kretselement är schematiskt färgat som i (a). Resonatorn består av en mittstift som är kopplad till jord via en kondensator (Cr) och en induktor (Lr). EJ och C hänvisar till Josephson -energin respektive kapacitansen för qubiten. Qubiten är kapacitivt kopplad till mittstiftet på resonatorn (Cc) och till jord (Cg). (c) Uppmätta avslappningstider (T1) för tre omgångar av enheter tillverkade med sputtrade (lila cirklar), HiPIMS optimerad (blå diamanter), och HiPIMS normala (gröna rutor) niobiumfilmer, för totalt nio enheter. Felstaplar indikerar standardavvikelse för alla T1 -mätningar som görs på en viss enhet. Kredit:Kommunikationsmaterial, 10.1038/s43246-021-00174-7
Kopplingen mellan mikroskopiska materialegenskaper och qubit -koherens är inte väl förstådd trots praktiska bevis på att materialfel utgör ett hinder för tillämpningar av supraledande qubits. I en ny rapport som nu publicerats den Kommunikationsmaterial , Anjali Premkumar och ett team av forskare inom elektroteknik, nanomaterial, fysik och ångströmsteknik vid Princeton University och i Ontario, Kanada, kombinerade mätningar av transmon qubit -avslappning (T 1 ) gånger med spektroskopi, vid sidan av mikroskopi av polykristallina niob (Nb) filmer som används under utveckling av qubit. Baserat på filmer deponerade via tre olika tekniker, teamet avslöjade samband mellan transmon qubit -avslappningstider och inneboende filmegenskaper, inklusive kornstorlek för att förbättra syrediffusionen längs korngränserna, samtidigt som man ökar koncentrationen av suboxider nära ytan. Restmotståndskvoten för de polykristallina niobfilmerna kan användas som en förtjänstfigur för att förstå livslängd på qubit, och den nya metoden visar en väg för materialdrivna förbättringar av supraledande qubit-prestanda.
Superledande qubit -material
I det här arbetet, Premkumar et al. överbryggade klyftan mellan qubit -prestanda och mikroskopiska material, baserat på en material-och-enhet specifik undersökning av transmon qubits. Superledande qubit-teknik är en lovande plattform för feltolerant kvantberäkning. Forskare har uppnått betydande förbättringar i qubit -sammanhang genom nya enhetsdesigner och förbättrade tillverkningsprocesser. Ändå, prestandaförbättringarna har börjat släppa ut eftersom dominerande källor till avkoherens inte är väl förstådda. Som ett resultat, forskning inom ämnet har ökat för att förstå metoder för att begränsa förlustmekanismer i qubit -material. Många studier har belyst ytornas och gränssnittens roll under dekoherens av transmon qubits, inklusive föreslagna mekanismer som involverar interaktioner mellan qubit och mikroskopiska objekt. För att förstå fenomenen, en omfattning av tvärvetenskaplig forskning krävs för att undersöka relevanta materialegenskaper och deras samband med qubit -prestanda. Premkumar et al. använde rymdupplöst röntgenspektroskopi och mikroskopi för att karakterisera de strukturella och elektroniska egenskaperna hos niob-tunna filmer som används i transmon qubit-enheter. Teamet redogjorde för de mekanismer som ligger till grund för de observerade mikroskopiska egenskaperna mot resistens och avslappningstider. Resultaten utgör ett kritiskt steg för att ansluta exakta materialegenskaper med mikroskopiska modeller för att förbättra qubit -prestanda.
Röntgenfotoemissionsspektroskopi (PES) av Nb-filmerna med varierande fotonenergi. (a) representativt PES -spektrum för kärnnivåerna Nb 3d3/2 och 3d5/2, mätt på den sputtrade filmen för en foton energi (hν) på 3330 eV (svarta prickar) och passar med fem komponenter. (b) Uppmätta spektra för alla tre filmtyperna vid 3330 eV, normaliseras till intensiteten hos Nb2O5 -komponenten. För varje film, den uppmätta intensiteten för Nb (c) och Nb2O5 (d) topparna plottas vid flera fotonenergier. Summan av signalerna från de olika oxidationstillstånden i en given film normaliseras till en, och felstaplarna visar ett fel på 1%, som uppskattas utifrån mätdatas signal-till-brus. Intensiteten för Nb och Nb2O5 ökar och minskar med energi, respektive, indikerar närvaron av ett ytoxidskikt. Kredit:Kommunikationsmaterial, 10.1038/s43246-021-00174-7 
Teamet utförde qubit -karakterisering på transmon qubits som vanligtvis används i stor utsträckning för kvantberäkning och kvantsimulering. Transmon qubit-designen inkluderar en Josephson-korsning med en tunn aluminiumoxidbarriär mellan de supraledande trådarna shuntade av en stor kondensator för att bilda en koherent qubit. Forskare kan styra transmonerna i en kretskvantelektrodynamisk plattform och mäta övervakningssändningen vid resonatorfrekvensen, som en funktion av qubit -tillstånd. Under studien, Premkumar et al. använde tre olika avsättningsmetoder för att deponera niobfilmen och tillverka transmon -enheterna. Först, de deponerade materialen på safirunderlag och använde likströmssputtring för superledande qubit -tillverkning. De använde sedan två andra metoder, inklusive högeffektsimpulsmagnetronförstoftning (HiPIMS) och optimerade tekniken för att förbättra joniseringsgraden och utveckla tätare filmer. Forskarna karakteriserade sedan beroende av qubit -prestanda på avsättningstekniker med hjälp av avslappningsmätningar (T 1 ). Resultaten visade en tydlig statistisk skillnad mellan de tre deponeringsteknikerna, där det sputtrade niobiet konsekvent presterade bäst, följt av den optimerade HiPIMS -metoden och sedan den normala HiPIMS -metoden. Teamet använde en rad karaktäriseringsmetoder för att studera filmerna och förstå de möjliga mikroskopiska ursprungen till koherensskillnaderna.
Djupprofiler för de olika oxidationstillstånden för Nb. Profilerna för de sputtrade (a), HiPIMS optimerad (b), och HiPIMS normal (c) Nb-filmer rekonstruerades från PES-data med användning av en algoritm för maximal entropimetod. Varje film visar ett ytskikt på några nm Nb2O5, ett övergångsskikt med varierande koncentrationer av olika suboxider, och Nb -metallmassan. Särskilt, HiPIMS normalfilm visar betydande koncentrationer av NbO och NbO2 i övergångsskiktet och djupare penetration av NbOx i metallen. Kredit:Kommunikationsmaterial, 10.1038/s43246-021-00174-7
Resonanta oelastiska röntgenspridningsspektra (RIXS) uppmätta för Nb-filmerna. a RIXS-mätningar vid syre-K-kantresonansen för en infallande energi på 531 eV. Insatsen visar O-K-absorptionsspektrumet för den sprutade filmen med en vertikal streckad linje vid resonansen. b Närbild av RIXS-spektra efter subtraktion av den elastiska linjen, med fonontätheten av tillstånd (DOS) beräknad för Nb2O5 från45. Den övergripande skalningsfaktorn för DOS valdes för att underlätta visualisering. DOS rapporterades uppstå från både niob och syre upp till ≈70 meV, och mestadels från syre vid högre energier, som representeras av de blå och rosa banden, respektive. Den lägre intensiteten vid högre energier för HiPIMS -filmerna indikerar en större koncentration av syrevakanser. Kredit:Kommunikationsmaterial, 10.1038/s43246-021-00174-7
Förstå ytmaterialet
För att förstå ytoxiderna på de tre typerna av Nb -filmer, Premkumar et al. använde en kombination av metoder som mjuk och hård röntgenfotoemissionsspektroskopi och resonant oelastisk röntgenspridning. Alla tre filmtyperna visade niobiumpentoxid (Nb 2 O 5 ) att vara huvudbeståndsdelen. Den sprutade filmen innehöll det skarpaste oxid-metall-gränssnittet, följt av HiPIMS-optimerad metod och HiPIMS-normal filmavsättningsteknik. Forskarna använde också resonant oelastisk röntgenspridning för att uppnå känslighet för lågenergi-excitationer av den elektroniska strukturen. De korrelerade sedan ytoxidfynden med ytmorfologi och kornstorlek med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, elektron-energiförlustspektra och atomkraftsmikroskopimätningar för alla tre typer av Nb-filmer. Morfologin nära ytan för HiPIMS-normalfilmen var synligt annorlunda, där oxidskiktet vidhäftade till lägre korn. Elektronenergiförlustspektra gav en syn på kemiska egenskaper nära ytan av oxidmetallen, medan överföringselektronmikroskopi belyste korngränserna för varje prov och atomkraftsmikroskopi indikerade ytterligare information om kornmorfologin och storleken.
Strukturell och kemisk avbildning av de tre typerna av Nb -film. Alla mätningar visas för sputted, HiPIMS optimerad, och HiPIMS normala filmer, respektive. Paneler (a)-(c) visar högvinkliga ringformiga mörkfältskanningsöverföringselektronmikroskopimätningar (HAADF-STEM) vid tvärsnitt av filmens ytor, avslöjar ett nm 5 nm oxidskikt och variationer i kornstorlek. Paneler (d)-(f) visar O-K-edge elektron-energiförlustspektroskopi (EELS) spektra uppmätta på de platser som anges på HAADF-STEM-bilderna. För de sputtrade och HiPIMS -optimerade filmerna, både EELS -spektra inom en korn (vänster) och spektra som tas längs en korngräns (höger) visar en övergång från en dubbel topp (Nb2O5) till en enda topp (suboxider) till en försumbar topp (metall). Dock, för HiPIMS normalfilm, EELS -spektra längs korngränsen avslöjar liknande oxidationstoppar till ytoxidskiktet, vilket indikerar att syre har diffunderat in i korngränsen för att bilda oxider. Paneler (g)-(i) visar TEM-ljusfältbilder av tvärsnitt av filmens ytor, där de vita prickade linjerna avgränsar korngränser för de sputtrade och HiPIMS -optimerade filmerna, och den gula pilen pekar på ett gap vid kärngränsen för HiPIMS normalfilm. Det korniga, ljusgrått lager ovanför ytan är platina, som skyddar ytan under provberedningen. Paneler (j) - (l) visar atomkraftsmikroskopi (AFM) bilder uppmätta över ett område på 500 nm x 500 nm. Det är visuellt uppenbart att kornstorleken på den sputtrade filmen är den största, och HiPIMS normala filmkornstorlek är den minsta. Kredit:Kommunikationsmaterial, 10.1038/s43246-021-00174-7
Syn
På det här sättet, Anjali Premkumar och kollegor noterade en tydlig korrelation mellan qubit -avslappningstiderna (T 1 ) och karakterisering av Nb (niobium) filmer, inklusive restmotståndskvoten, kornstorlek och ytsuboxidkoncentration. Teamet fann att den totala qubit -avkopplingstiden var summan av flera mekanismer; där Nb -filmerna som deponerats med olika tekniker dominerade resultaten. Studien etablerade därför en signifikant koppling mellan prestanda för supraledande transmon qubits och materialegenskaper under qubit -tillverkning. Arbetet undersökte de mikroskopiska variationerna bland Nb -tunna filmer som deponerats med hjälp av tre olika förstoftningsmetoder, för att specifikt förstå kornstorleken, suboxidintegration och penetration vid oxid-metall-gränssnittet, och suboxid -intragrain -koncentration nära ytan. Resultaten av denna studie utgör en solid grund för att utveckla fysiska modeller som kan styra utvecklingen av material för supraledande qubits.
© 2021 Science X Network
