Соединяя точки между свойствами материала и производительностью кубита

Понимание природы дефектов атомарного масштаба, которые способствуют потере кубитной информации, по-прежнему в значительной степени отсутствует. Команда помогла преодолеть этот разрыв между свойствами материала и характеристиками кубита, используя современные возможности определения характеристик в Центре функциональных наноматериалов (CFN) и Национальном источнике синхротронного света II (NSLS-II) Министерства энергетики США ( DOE) Офис научных учреждений Брукхейвенской национальной лаборатории. Их результаты выявили структурные дефекты и дефекты химии поверхности в сверхпроводящих ниобиевых кубитах, которые могут вызывать потери.

«Сверхпроводящие кубиты являются многообещающей платформой для квантовых вычислений, потому что мы можем спроектировать их свойства и создавать их, используя те же инструменты, что и обычные компьютеры», — сказал Анджали Премкумар, аспирант четвертого курса Лаборатории Хаука в Принстонском университете и первый автор книги. документ «Коммуникационные материалы» с описанием исследования. «Однако у них более короткое время согласования, чем у других платформ».Другими словами, они не могут долго удерживать информацию, прежде чем потеряют ее.

Хотя время когерентности недавно улучшилось с микросекунд до миллисекунд для отдельных кубитов, это время значительно уменьшается, когда несколько кубитов связаны вместе.«Связность кубитов ограничена качеством сверхпроводников и оксидов, которые неизбежно будут расти на них, когда металл вступает в контакт с кислородом воздуха», — продолжил Премкумар. «Но, как инженеры-кубиты, мы не очень подробно описали наши материалы.

Здесь мы впервые сотрудничали с экспертами по материалам, которые могут внимательно изучить структуру и химический состав наших материалов с помощью сложных инструментов».Это сотрудничество стало «приквелом» Центра совместного проектирования Quantum Advantage (C2QA), одного из пяти национальных центров квантовой информации, созданных в 2020 году в поддержку Национальной квантовой инициативы.

Под руководством Brookhaven Lab, C2QA объединяет инженеров по аппаратному и программному обеспечению, физиков, материаловедов, теоретиков и других экспертов из национальных лабораторий, университетов и промышленности для решения проблем с производительностью квантового оборудования и программного обеспечения. С помощью совместных усилий по разработке материалов, устройств и программного обеспечения команда C2QA стремится понять и в конечном итоге контролировать свойства материалов для увеличения времени согласования, проектировать устройства для создания более надежных кубитов, оптимизировать алгоритмы для конкретных научных приложений и разрабатывать решения для исправления ошибок. .В этом исследовании команда изготовила тонкие пленки металлического ниобия с помощью трех различных методов распыления. При напылении энергичные частицы выстреливают в мишень, содержащую желаемый материал; атомы выбрасываются из материала мишени и приземляются на ближайшую подложку. Сотрудники Houck Lab выполнили стандартное распыление (постоянный ток), а Angstrom Engineering применила новую форму распыления, на которой они специализируются (мощное импульсное магнетронное распыление, или HiPIMS), при котором цель поражается короткими импульсами энергии высокого напряжения. . Angstrom выполнил два варианта HiPIMS: нормальный и с оптимизированной мощностью и геометрией мишени-подложки.

Вернувшись в Принстон, Премкумар изготовил «трансмонные» кубитные устройства из трех напыленных пленок и поместил их в холодильник для разбавления. Внутри этого холодильника температура может упасть почти до абсолютного нуля (минус 459,67 градусов по Фаренгейту), превращая кубиты в сверхпроводники. В этих устройствах сверхпроводящие пары электронов туннелируют через изолирующий барьер из оксида алюминия (джозефсоновский переход), расположенный между сверхпроводящими алюминиевыми слоями, которые связаны с контактными площадками конденсатора из ниобия на сапфире.

Состояние кубита меняется, когда электронные пары переходят от одной стороны барьера к другой. Кубиты Transmon, совместно изобретенные главным исследователем Houck Lab и директором C2QA Эндрю Хауком, являются ведущим видом сверхпроводящих кубитов, поскольку они очень нечувствительны к колебаниям электрических и магнитных полей в окружающей среде; такие колебания могут вызвать потерю информации о кубите.Для каждого из трех типов устройств Премкумар измерил время релаксации энергии, величину, связанную с устойчивостью состояния кубита.«Время релаксации энергии соответствует тому, как долго кубит остается в первом возбужденном состоянии и кодирует информацию, прежде чем он распадется в основное состояние и потеряет свою информацию», — объяснил Игнас Джарридж, ранее физик из NSLS-II, а теперь квантовый исследователь. в Amazon, который руководил командой Brookhaven для этого исследования.

Каждое устройство имело разное время релаксации. Чтобы понять эти различия, команда провела микроскопию и спектроскопию на CFN и NSLS-II.

Ученые, работающие на лучевой линии NSLS-II, определили степень окисления ниобия с помощью рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии с использованием мягкого рентгеновского излучения на линиях пучка In situ и Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) и жесткого рентгеновского излучения в Spectroscopy Soft and Tender (SST -2) пучок. С помощью этих спектроскопических исследований они идентифицировали различные субоксиды, расположенные между металлом и поверхностным оксидным слоем и содержащие меньшее количество кислорода по сравнению с ниобием.«Нам требовалось высокое энергетическое разрешение в NSLS-II, чтобы различать пять различных степеней окисления ниобия, а также жесткое и мягкое рентгеновское излучение с разными уровнями энергии, чтобы профилировать эти состояния в зависимости от глубины», — пояснил Джарридж. «Фотоэлектроны, генерируемые мягким рентгеновским излучением, уходят только с первых нескольких нанометров поверхности, в то время как те, которые генерируются жестким рентгеновским излучением, могут выходить из более глубоких слоев пленки».На линии пучка мягкого неупругого рентгеновского рассеяния (SIX) NSLS-II команда определила пятна с отсутствующими атомами кислорода посредством резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS).

Такие кислородные вакансии являются дефектами, которые могут поглощать энергию кубитов.В CFN команда визуализировала морфологию пленки с помощью просвечивающей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии и охарактеризовала локальный химический состав вблизи поверхности пленки с помощью электронной спектроскопии потерь энергии.«На микроскопических изображениях были видны зерна — кусочки отдельных кристаллов с атомами, расположенными в одинаковой ориентации — больше или меньше в зависимости от техники распыления», — пояснил соавтор Суён Хван, штатный научный сотрудник группы электронной микроскопии CFN. «Чем меньше зерна, тем больше границ зерен или границ раздела, на которых встречаются кристаллы различной ориентации. Согласно спектрам потерь энергии электронов, одна пленка имела не только оксиды на поверхности, но и в самой пленке, а кислород диффундировал внутрь зерна. границы."

Их экспериментальные результаты на CFN и NSLS-II выявили корреляцию между временем релаксации кубита и количеством и шириной границ зерен и концентрацией субоксидов у поверхности.«Границы зерен — это дефекты, которые могут рассеивать энергию, поэтому их слишком много может повлиять на перенос электронов и, следовательно, на способность кубитов выполнять вычисления», — сказал Премкумар. «Качество оксидов — еще один потенциально важный параметр.

Субоксиды — это плохо, потому что электроны не образуют счастливых пар вместе».В дальнейшем команда продолжит сотрудничество, чтобы понять когерентность кубитов с помощью C2QA.

Одно из направлений исследований — изучить, можно ли улучшить время релаксации за счет оптимизации процессов изготовления для создания пленок с более крупными размерами зерен (то есть с минимальными границами зерен) и с единственной степенью окисления. Они также будут исследовать другие сверхпроводники, включая тантал, поверхностные оксиды которого, как известно, более химически однородны.«Благодаря этому исследованию у нас теперь есть план того, как ученые, которые создают кубиты, и ученые, которые их описывают, могут сотрудничать, чтобы понять микроскопические механизмы, ограничивающие производительность кубитов, — сказал Премкумар. «Мы надеемся, что другие группы будут использовать наш совместный подход для продвижения вперед в области сверхпроводящих кубитов».

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики, Научно-исследовательской стипендией Национального научного фонда, Фондом Гумбольдта, Научно-технической стипендией Национальной обороны, Научно-техническим центром материаловедения и Управлением армейских исследований. В этом исследовании использовались ресурсы электронной микроскопии, проксимальных зондов, а также средств теории и вычислений в CFN, Научно-исследовательском центре наноразмеров Министерства энергетики США.

Канал SST-2 на NSLS-II управляется Национальным институтом стандартов и технологий.


7 комментариев к “Соединяя точки между свойствами материала и производительностью кубита”

  1. Карманова Эвелина

    А в рашкабаде стабильность — медведи по Мацкве, блины на лопате, колбаса с вертолетов… Лепота! )))

  2. Те, кто уже точно определился, за кого галочку поставит, от тех, кто еще в раздумиях

  3. О расскажи мне о ракете Булава. Ее надо было назвать 50 на 50. В 50% вылетит, а в 50% таки ипанет по Воронежу! ))

  4. Янушко Евгения

    Новоросия находится в Приморском крае РФ. Там никто не гибнет — давно уже с голоду, Богу душу отдали! ((

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *