(a) Konceptuellt diagram över mikrovågshålighet och qubit (b) Optisk mikroskop av nitrid supraledande qubit-krets (c) Elektronmikrograf av nitrid supraledande qubit (del) och tvärsnittsvy av enheten (d) Transmissionselektronmikrograf av epitaxiellt odlad nitrid Josephson -korsningen. Kredit:National Institute of Information and Communications Technology, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, och Nagoya University
Forskare vid National Institute of Information and Communications Technology (NICT, President:Tokuda Hideyuki, Doktorsexamen), i samarbete med forskare vid National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST, President:Dr. Ishimura Kazuhiko) och Tokai National Higher Education and Research System Nagoya University (President:Dr. ledande material.
Denna qubit använder niobiumnitrid (NbN) med en supraledande övergångstemperatur på 16 K (-257 °C) som elektrodmaterial, och aluminiumnitrid (AlN) för det isolerande skiktet i Josephson -korsningen. Det är en ny typ av qubit tillverkad av allnitridmaterial som odlas epitaxiellt på ett kiselsubstrat och är fritt från amorfa oxider, som är en stor bullerkälla. Genom att inse detta nya material qubit på ett kiselsubstrat, långa sammanhållningstider har uppnåtts:en energiavslappningstid ( T 1 ) på 16 mikrosekunder och en fasavslappningstid ( T 2 ) på 22 mikrosekunder som medelvärdena. Detta är ungefär 32 gånger T 1 och cirka 44 gånger T 2 av nitrid supraledande qubits odlade på ett konventionellt magnesiumoxidsubstrat.
Genom att använda niobiumnitrid som en superledare, det är möjligt att konstruera en supraledande kvantkrets som fungerar mer stabilt, och det förväntas bidra till utvecklingen av kvantdatorer och kvantnoder som grundläggande element i kvantberäkningen. Vi kommer att fortsätta arbeta med att optimera kretsstrukturen och tillverkningsprocessen, och vi kommer att fortsätta med forskning och utveckling för att ytterligare förlänga koherenstiden och realisera storskalig integration.
Dessa resultat publicerades i den brittiska vetenskapliga tidskriften Kommunikationsmaterial den 20 september 2021 kl. 18.00 (Japan standardtid).
Bakgrund och utmaningar
Mot den kommande framtida Society 5.0, det finns gränser för prestandaförbättringen av halvledarkretsar som har stött informationssamhället hittills, och förväntningarna på kvantdatorer stiger som ett nytt informationsbehandlingsparadigm som bryter igenom sådana gränser. Dock, kvantsuperpositionstillståndet, som är oumbärlig för driften av en kvantdator, förstörs lätt av olika störningar (buller), och det är nödvändigt att korrekt eliminera dessa effekter.
Eftersom supraledande qubits är fasta tillståndselement, de har utmärkt designflexibilitet, integration, och skalbarhet, men de påverkas lätt av olika störningar i sin omgivning. Utmaningen är hur man förlänger sammanhållningstiden, vilket är livslängden för kvantöverlagringstillstånd. Olika ansträngningar görs av forskningsinstitut runt om i världen för att övervinna detta problem, och de flesta av dem använder aluminium (Al) och aluminiumoxidfilm (AlO x ) som supraledande qubit -material. Dock, amorf aluminiumoxid, som ofta används som ett isolerande skikt, är ett bekymmer som en bullerkälla, och det var viktigt att studera material som kunde lösa detta problem.
Som ett alternativ till aluminium och amorf aluminiumoxid med supraledande övergångstemperatur T C av 1 K (-272 ° C), epitaxiellt odlad niobiumnitrid (NbN) med en T C av 16 K (-257 ° C), NICT har utvecklat supraledande qubits med hjälp av NbN / AlN / NbN all-nitrid-korsningar, med fokus på aluminiumnitrid (AlN) som ett isolerande skikt.
För att förverkliga en NbN / AlN / NbN Josephson -korsning (epitaxial korsning) där kristallorienteringen är inriktad upp till den övre elektroden, det var nödvändigt att använda ett magnesiumoxid (MgO) -substrat vars kristallgitterkonstanter är relativt nära dem för NbN. Dock, MgO har en stor dielektrisk förlust, och koherenstiden för den superledande kvantbiten med NbN / AlN / NbN -övergången på
(a) Energirelaxationstid T1=18 mikrosekunder (b) Fasrelaxationstid T2=23 mikrosekunder. Kredit:National Institute of Information and Communications Technology, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, och Nagoya University
Prestationer
NICT har lyckats förverkliga NbN / AlN / NbN epitaxiella Josephson -korsningar med titanitrid (TiN) som ett buffertskikt på ett kisel (Si) -substrat med en mindre dielektrisk förlust. Den här gången, med hjälp av denna korsningstillverkningsteknik, vi designade, tillverkad, och utvärderade en supraledande qubit (se figur 1) som använder NbN som elektrodmaterialet och AlN som det isolerande skiktet i Josephson -korsningen.
Såsom schematiskt visas i figur 1(a), kvantkretsen tillverkas på ett kiselsubstrat så att mikrovågshåligheten och qubiten kan kopplas och interagera med varandra som visas i figur 1 (b). Från överföringsmätningen av resonatorns mikrovågskarakteristik svagt kopplad till qubit under små termiska fluktuationer vid den extremt låga temperaturen på 10 mK, vi uppnådde en energiavslappningstid ( T 1 ) på 18 mikrosekunder och en fasavslappningstid ( T 2 ) på 23 mikrosekunder. Medelvärdena för 100 mätningar är T 1 =16 mikrosekunder och T 2 =22 mikrosekunder. Detta är en förbättring med cirka 32 gånger för T 1 och cirka 44 gånger för T 2 jämfört med fallet med supraledande qubits på MgO -substrat.
För detta resultat, vi använde inte konventionellt aluminium och aluminiumoxid för Josephson -korsningen, som är hjärtat i supraledande qubits. Vi har lyckats utveckla en nitrid supraledande qubit som har en hög supraledande kritisk temperatur T C och utmärkt kristallinitet på grund av epitaxial tillväxt. Dessa två punkter har stor betydelse. Särskilt, det är första gången som någon i världen har lyckats observera koherenstider i tiotals mikrosekunder från supraledande qubits av nitrid genom att minska dielektriska förluster genom att epitaxiellt odla dem på ett Si-substrat. Den supraledande qubit av denna nitrid är fortfarande i de tidiga utvecklingsstadierna, och vi tror att det är möjligt att ytterligare förbättra sammanhållningstiden genom att optimera qubitens design och tillverkningsprocess.
Genom att använda denna nya materialplattform som kan ersätta konventionellt aluminium, vi kommer att påskynda forskning och utveckling av kvantinformationsbehandling, vilket kommer att bidra till förverkligandet av mer energibesparande informationsbehandling och förverkligandet av kvantnoder som är nödvändiga för byggandet av säkra och säkra kvantnät.
Utsikter
Vi planerar att arbeta med att optimera kretsstrukturen och tillverkningsprocessen i syfte att ytterligare förlänga sammanhållningstiden och förbättra enhetlighetens enhetlighet i väntan på framtida storskalig integration. På det här sättet, vi siktar på att bygga en ny plattform för kvanthårdvara som överträffar prestanda för konventionella aluminiumbaserade qubits.
