I åratal ansågs niob vara en underpresterande när det kom till supraledande qubits. Nu har forskare med stöd av Q-NEXT hittat ett sätt att konstruera en högpresterande niobbaserad qubit och dra fördel av niobs överlägsna egenskaper.
När det gäller kvantteknik gör niob en comeback.
Under de senaste 15 åren har niob suttit på bänken efter att ha upplevt några mediokra slagträn som ett kärnmaterial för qubit.
Qubits är de grundläggande komponenterna i kvantenheter. En qubit-typ förlitar sig på supraledning för att bearbeta information.
Niob är hyllad för sina överlägsna egenskaper som supraledare och har alltid varit en lovande kandidat för kvantteknik. Forskare fann dock att niob var svårt att konstruera som en kärn-qubit-komponent, så den förpassades till den andra strängen på Team Superconducting Qubit.
Nu har en grupp under ledning av Stanford Universitys David Schuster visat ett sätt att skapa niobbaserade qubits som konkurrerar med den senaste tekniken för sin klass.
"Vi har visat att niob är relevant igen, vilket utökar möjligheterna för vad vi kan göra med qubits", säger Alexander Anferov från University of Chicagos Physical Science-avdelning, en av de ledande forskarna av resultatet.
Teamets arbete publiceras i Physical Review Applied .
Genom att utnyttja niobs enastående egenskaper kommer forskare att kunna utöka kapaciteten hos kvantdatorer, nätverk och sensorer. Dessa kvantteknologier bygger på kvantfysik för att bearbeta information på sätt som överträffar deras traditionella motsvarigheter och förväntas förbättra områden som är så olika som medicin, ekonomi och kommunikation.
När det kommer till supraledande qubits har aluminium styrt platsen. Aluminiumbaserade supraledande qubits kan lagra information under en relativt lång tid innan data oundvikligen sönderfaller. Dessa längre koherenstider innebär mer tid för att bearbeta information.
De längsta koherenstiderna för en aluminiumbaserad supraledande qubit är några hundra miljondelar av en sekund. Däremot har de bästa niobbaserade qubitarna under de senaste åren gett koherenstider som är 100 gånger kortare – några hundra miljarddelar av en sekund.
Trots den korta qubit-livslängden innehöll niob attraktioner. En niobbaserad qubit kan arbeta vid högre temperaturer än dess aluminiummotsvarighet, och skulle därför kräva mindre kylning. Den kan också arbeta över ett åtta gånger större frekvensområde och ett enormt 18 000 gånger större magnetfältsområde jämfört med aluminiumbaserade qubits, vilket utökar användningsmenyn för supraledande qubit-familjen.
I ett avseende var det ingen strid mellan de två materialen:Niobiums sortiment avbröt aluminium. Men i åratal gjorde den korta koherenstiden den niobbaserade qubiten till en icke-startare.
"Ingen gjorde verkligen så många qubits av niob-korsningar eftersom de var begränsade av sin koherens," sa Anferov. "Men vår grupp ville göra en qubit som kunde fungera vid högre temperaturer och ett större frekvensområde — vid 1 K och 100 gigahertz. Och för båda dessa egenskaper räcker inte aluminium. Vi behövde något annat."
Så teamet tittade på niob igen.
Specifikt tittade de på niob Josephson-korsningen. Josephson-övergången är informationsbearbetningshjärtat i den supraledande qubiten.
I klassisk informationsbehandling kommer data i bitar som är antingen 0:or eller 1:or. Vid kvantinformationsbehandling är en qubit en blandning av 0 och 1. Den supraledande qubitens information "lever" som en blandning av 0 och 1 inne i korsningen. Ju längre korsningen kan upprätthålla informationen i det blandade tillståndet, desto bättre är korsningen och desto bättre qubit.
Josephson-övergången är uppbyggd som en sandwich, bestående av ett lager av icke-ledande material som kläms mellan två lager supraledande metall. En ledare är ett material som ger enkel passage för elektrisk ström. En supraledare slår upp det ett snäpp:Den bär elektrisk ström med noll motstånd. Elektromagnetisk energi flödar mellan korsningens yttre skikt i det blandade kvanttillståndet.
Den typiska, pålitliga aluminium Josephson-övergången är gjord av två lager aluminium och ett mellanlager av aluminiumoxid. En typisk niobövergång är gjord av två lager niob och ett mellanlager av nioboxid.
Schusters grupp fann att korsningens nioboxidskikt tappade energin som krävs för att upprätthålla kvanttillstånd. De identifierade också niob-korsningarnas stödjande arkitektur som en stor källa till energiförluster, vilket fick qubitens kvanttillstånd att flöda ut.
Teamets genombrott involverade både ett nytt korsningsarrangemang och en ny tillverkningsteknik.
Det nya arrangemanget kallade på en bekant vän:aluminium. Designen gjorde bort den energisugande nioboxiden. Och istället för två distinkta material använde den tre. Resultatet blev en treskiktsövergång med låg förlust – niob, aluminium, aluminiumoxid, aluminium, niob.
"Vi gjorde det här bästa av båda världarna," sa Anferov. "Det tunna lagret av aluminium kan ärva de supraledande egenskaperna hos niob i närheten. På så sätt kan vi använda de bevisade kemiska egenskaperna hos aluminium och fortfarande ha niobets supraledande egenskaper."
Gruppens tillverkningsteknik involverade att ta bort ställningar som stödde niobövergången i tidigare system. De hittade ett sätt att bibehålla korsningens struktur samtidigt som de gjorde sig av med det förlustframkallande, främmande materialet som hämmade koherensen i tidigare konstruktioner.
"Det visar sig att bara bli av med skräpet hjälpte", sa Anferov.
Efter att ha införlivat sin nya korsning i supraledande qubits, uppnådde Schuster-gruppen en koherenstid på 62 miljondelar av en sekund, 150 gånger längre än sina bäst presterande niob-föregångare. Qubitarna uppvisade också en kvalitetsfaktor – ett index på hur väl en qubit lagrar energi – på 2,57 x 10 5 , en 100-faldig förbättring jämfört med tidigare niobbaserade qubits och konkurrenskraftig med aluminiumbaserade qubit-kvalitetsfaktorer.
"Vi har gjort den här korsningen som fortfarande har niobs fina egenskaper, och vi har förbättrat korsningens förlustegenskaper," sa Anferov. "Vi kan direkt överträffa alla qubitar av aluminium eftersom aluminium är ett sämre material på många sätt. Jag har nu en qubit som inte dör vid högre temperaturer, vilket är den stora kickern."
Resultaten kommer sannolikt att höja niobs plats i sortimentet av supraledande qubit-material.
"Detta var en lovande första razzia, efter att ha återuppstått niob-korsningar," sa Schuster. "Med niobbaserade qubits breda operativa räckvidd öppnar vi upp en helt ny uppsättning möjligheter för framtida kvantteknologier."
Mer information: Alexander Anferov et al, Förbättrad koherens i optiskt definierade niob-trilagerövergångsbitar, Physical Review Applied (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.024047. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.05883
Tillhandahålls av Argonne National Laboratory
