Design e prestazioni dei qubit Transmon. (a) Immagine ottica a falsi colori di un qubit transmon rappresentativo dal nostro studio. Le regioni del niobio includono il pin centrale del risonatore a guida d'onda complanare (verde), le pastiglie del condensatore transmon (viola), e il piano terra (grigio). La giunzione Josephson in alluminio è mostrata in bianco. Le aree nere indicano dove il metallo è stato inciso, e il substrato di zaffiro è esposto. (b) Schema circuitale effettivo di un qubit transmon accoppiato a un risonatore. Ogni elemento del circuito è schematicamente colorato come in (a). Il risonatore è composto da un pin centrale accoppiato a massa tramite un condensatore (Cr) e un induttore (Lr). EJ e C si riferiscono rispettivamente all'energia Josephson e alla capacità del qubit. Il qubit è accoppiato capacitivamente al pin centrale del risonatore (Cc) e alla massa (Cg). (c) Tempi di rilassamento misurati (T1) per tre cicli di dispositivi fabbricati con sputtered (cerchi viola), HiPIMS ottimizzato (diamanti blu), e film di niobio normali (quadrati verdi) HiPIMS, per un totale di nove dispositivi. Le barre di errore indicano la deviazione standard su tutte le misurazioni T1 effettuate su un particolare dispositivo. Credito:materiali di comunicazione, 10.1038/s43246-021-00174-7
La connessione tra le proprietà dei materiali microscopici e la coerenza dei qubit non è ben compresa nonostante l'evidenza pratica che le imperfezioni del materiale presentino un ostacolo alle applicazioni dei qubit superconduttori. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Materiali di comunicazione , Anjali Premkumar e un team di scienziati in ingegneria elettrica, nanomateriali, fisica e ingegneria angstrom presso la Princeton University e in Ontario, Canada, misurazioni combinate del rilassamento dei qubit transmon (T 1 ) volte con spettroscopia, insieme alla microscopia di film di niobio policristallino (Nb) utilizzati durante lo sviluppo dei qubit. Basato su film depositati tramite tre diverse tecniche, il team ha rivelato correlazioni tra i tempi di rilassamento dei qubit transmon e le proprietà intrinseche del film, compresa la dimensione dei grani per migliorare la diffusione dell'ossigeno lungo i bordi dei grani, mentre aumenta anche la concentrazione di subossidi vicino alla superficie. Il rapporto di resistenza residua dei film di niobio policristallino può essere utilizzato come cifra di merito per comprendere la durata dei qubit, e il nuovo approccio traccia un percorso per miglioramenti basati sui materiali delle prestazioni dei qubit superconduttori.
Materiali qubit superconduttori
In questo lavoro, Premkumar et al. ha colmato il divario tra le prestazioni dei qubit e i materiali microscopici, basato su un'indagine specifica per materiali e dispositivi sui qubit transmon. La tecnologia dei qubit superconduttori è una piattaforma promettente per il calcolo quantistico tollerante ai guasti. Gli scienziati hanno ottenuto miglioramenti significativi nella coerenza dei qubit attraverso nuovi design di dispositivi e processi di fabbricazione migliorati. Tuttavia, i miglioramenti delle prestazioni hanno iniziato a stabilizzarsi poiché le fonti dominanti di decoerenza non sono ben comprese. Di conseguenza, la ricerca in materia è aumentata per comprendere i metodi per limitare i meccanismi di perdita nei materiali qubit. Molti studi hanno evidenziato il ruolo delle superfici e delle interfacce durante la decoerenza dei qubit transmon, compresi i meccanismi proposti che implicano interazioni tra il qubit e gli oggetti microscopici. Per comprendere i fenomeni, è necessario un ambito di ricerca multidisciplinare per indagare le proprietà dei materiali rilevanti e le loro connessioni con le prestazioni dei qubit. Premkumar et al. ha utilizzato la spettroscopia e la microscopia a raggi X risolte spazialmente per caratterizzare le proprietà strutturali ed elettroniche dei film sottili di niobio utilizzati nei dispositivi qubit transmon. Il team ha dettagliato i meccanismi alla base delle caratteristiche microscopiche osservate ai tempi di resistenza e rilassamento. I risultati costituiscono un passaggio fondamentale per collegare proprietà precise dei materiali con modelli microscopici per migliorare le prestazioni dei qubit.
Spettroscopia di fotoemissione a raggi X (PES) dei film di Nb con energia fotonica variabile. (a) Spettro PES rappresentativo dei livelli core Nb 3d3/2 e 3d5/2, misurata sulla pellicola spruzzata per un'energia del fotone (hν) di 3330 eV (punti neri) e adattata con cinque componenti. (b) Spettri misurati per tutti e tre i tipi di pellicola a 3330 eV, normalizzato all'intensità della componente Nb2O5. Per ogni film, l'intensità misurata dei picchi di Nb (c) e Nb2O5 (d) viene tracciata a diverse energie dei fotoni. La somma dei segnali dai diversi stati di ossidazione in un dato film è normalizzata a uno, e le barre di errore mostrano un errore dell'1%, come stimato dal segnale-rumore dei dati misurati. L'intensità di Nb e Nb2O5 aumenta e diminuisce con l'energia, rispettivamente, indicando la presenza di uno strato di ossido superficiale. Credito:materiali di comunicazione, 10.1038/s43246-021-00174-7 
Il team ha eseguito la caratterizzazione dei qubit su qubit transmon che sono generalmente ampiamente utilizzati per il calcolo quantistico e la simulazione quantistica. Il design del qubit transmon include una giunzione Josephson con una sottile barriera di ossido di alluminio tra i fili superconduttori deviati da un grande condensatore per formare un qubit coerente. Gli scienziati possono controllare i transmoni in una piattaforma di elettrodinamica quantistica del circuito e misurare la trasmissione di monitoraggio alla frequenza del risonatore, in funzione dello stato del qubit. Durante lo studio, Premkumar et al. ha utilizzato tre diversi metodi di deposizione per depositare il film di niobio e fabbricare i dispositivi transmon. Primo, hanno depositato i materiali su substrati di zaffiro e hanno utilizzato la deposizione di sputtering a corrente continua per la fabbricazione di qubit superconduttori. Hanno quindi utilizzato altri due metodi, incluso lo sputtering di magnetron a impulsi ad alta potenza (HiPIMS) e hanno ottimizzato la tecnica per migliorare il grado di ionizzazione e sviluppare film più densi. Gli scienziati hanno quindi caratterizzato la dipendenza delle prestazioni dei qubit dalle tecniche di deposizione utilizzando misurazioni di rilassamento (T 1 ). I risultati hanno mostrato una chiara differenza statistica tra le tre tecniche di deposizione, dove il niobio sputacchiato si è sempre comportato al meglio, seguito dal metodo HiPIMS ottimizzato e quindi dal metodo HiPIMS normale. Il team ha utilizzato una serie di metodi di caratterizzazione per studiare i film e comprendere le possibili origini microscopiche delle differenze di coerenza.
Profili di profondità dei diversi stati di ossidazione del Nb. I profili per lo sputtered (a), HiPIMS ottimizzato (b), e HiPIMS film normali (c) Nb sono stati ricostruiti da dati PES utilizzando un algoritmo di metodo di massima entropia. Ogni film mostra uno strato superficiale di pochi nm di Nb2O5, uno strato di transizione con concentrazioni variabili di diversi subossidi, e la massa di metallo Nb. In particolare, il film normale HiPIMS mostra concentrazioni significative di NbO e NbO2 nello strato di transizione e una penetrazione più profonda di NbOx nel metallo. Credito:materiali di comunicazione, 10.1038/s43246-021-00174-7
Spettri di scattering di raggi X anelastici risonanti (RIXS) misurati per i film di Nb. a RIXS misurazioni alla risonanza del bordo K dell'ossigeno per un'energia incidente di 531 eV. L'inserto mostra lo spettro di assorbimento O-K del film spruzzato con una linea tratteggiata verticale alla risonanza. b Vista ravvicinata degli spettri RIXS dopo la sottrazione della linea elastica, con la densità fononica degli stati (DOS) calcolata per Nb2O5 da 45. Il fattore di scala globale del DOS è stato scelto per aiutare la visualizzazione. È stato riportato che il DOS deriva sia dal niobio che dall'ossigeno fino a ≈70 meV, e principalmente dall'ossigeno a energie più elevate, come rappresentato dalle bande blu e rosa, rispettivamente. La minore intensità a energie più elevate per i film HiPIMS indica una maggiore concentrazione di posti vacanti di ossigeno. Credito:materiali di comunicazione, 10.1038/s43246-021-00174-7
Capire il materiale di superficie
Per comprendere gli ossidi superficiali sui tre tipi di film di Nb, Premkumar et al. ha utilizzato una combinazione di metodi come la spettroscopia di fotoemissione a raggi X morbidi e duri e la diffusione anelastica risonante dei raggi X. Tutti e tre i tipi di film hanno mostrato pentossido di niobio (Nb 2 oh 5 ) come costituente principale. Il film spruzzato conteneva l'interfaccia ossido-metallo più nitida, seguito dal metodo ottimizzato HiPIMS e dalla tecnica di deposizione di film normale HiPIMS. Gli scienziati hanno anche utilizzato la diffusione anelastica risonante dei raggi X per ottenere la sensibilità alle eccitazioni a bassa energia della struttura elettronica. Hanno quindi correlato i risultati dell'ossido superficiale con la morfologia della superficie e la dimensione dei grani utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione, spettri di perdita di energia elettronica e misurazioni al microscopio a forza atomica per tutti e tre i tipi di film di Nb. La morfologia vicino alla superficie del film HiPIMS-normale era visibilmente diversa, dove lo strato di ossido aderisce ai grani inferiori. Gli spettri di perdita di energia elettronica hanno fornito una panoramica delle proprietà chimiche vicino alla superficie dell'ossido di metallo, mentre la microscopia elettronica a trasmissione ha evidenziato i bordi dei grani di ciascun campione e la microscopia a forza atomica ha indicato ulteriori informazioni sulla morfologia e la dimensione dei grani.
Imaging strutturale e chimico dei tre tipi di film di Nb. Tutte le misurazioni sono mostrate per lo sputtered, HiPIMS ottimizzato, e pellicole normali HiPIMS, rispettivamente. I pannelli (a)-(c) mostrano misurazioni di microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo oscuro anulare ad alto angolo (HAADF-STEM) alle sezioni trasversali delle superfici dei film, rivelando uno strato di ossido di 5 nm e variazioni nella dimensione dei grani. I pannelli (d)-(f) mostrano gli spettri della spettroscopia di perdita di energia elettronica (EELS) con bordo O-K misurati nelle posizioni indicate sulle immagini HAADF-STEM. Per i film sputtered e ottimizzati HiPIMS, sia gli spettri EELS all'interno di un grano (a sinistra) che gli spettri presi lungo un bordo di grano (a destra) mostrano una transizione da un picco doppio (Nb2O5) a un picco singolo (subossidi) a un picco trascurabile (metallo). Però, per il film normale HiPIMS, Gli spettri EELS lungo il bordo del grano rivelano picchi di ossidazione simili allo strato di ossido superficiale, indicando che l'ossigeno si è diffuso nel bordo del grano per formare ossidi. I pannelli (g)-(i) mostrano immagini in campo chiaro TEM delle sezioni trasversali delle superfici dei film, dove le linee tratteggiate bianche delineano i bordi dei grani per i film sputterati e ottimizzati per HiPIMS, e la freccia gialla indica uno spazio vuoto al confine del grano per il film normale HiPIMS. Il granuloso, lo strato grigio chiaro sopra la superficie è platino, che protegge la superficie durante la preparazione del campione. I pannelli (j)–(l) mostrano immagini di microscopia a forza atomica (AFM) misurate su un'area di 500 nm x 500 nm. È visivamente evidente che la granulometria del film spruzzato è la più grande, e la normale granulometria della pellicola HiPIMS è la più piccola. Credito:materiali di comunicazione, 10.1038/s43246-021-00174-7
Veduta
In questo modo, Anjali Premkumar e colleghi hanno notato una chiara correlazione tra i tempi di rilassamento dei qubit (T 1 ) e la caratterizzazione di film di Nb (niobio), compreso il rapporto di resistenza residua, granulometria e concentrazione di subossido superficiale. Il team ha scoperto che il tempo di rilassamento totale del qubit è la somma di più meccanismi; dove i film di Nb depositati con varie tecniche hanno dominato i risultati. Lo studio ha quindi stabilito un collegamento significativo tra le prestazioni dei qubit transmoni superconduttori e le proprietà dei materiali durante la fabbricazione dei qubit. Il lavoro ha studiato le variazioni microscopiche tra i film sottili di Nb depositati utilizzando tre diversi metodi di sputtering, per capire in modo specifico la dimensione del grano, integrazione e penetrazione del subossido all'interfaccia ossido-metallo, e concentrazione intracereale di subossido vicino alla superficie. I risultati di questo studio costituiscono una solida base per sviluppare modelli fisici in grado di guidare lo sviluppo di materiali per qubit superconduttori.
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