Ricercatori presso l'Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e della comunicazione (NICT, Presidente:Tokuda Hideyuki, dottorato di ricerca), in collaborazione con ricercatori dell'Istituto Nazionale di Scienze e Tecnologie Industriali Avanzate (AIST, Presidente:Dr. Ishimura Kazuhiko) e il sistema nazionale di ricerca e istruzione superiore Tokai Nagoya University (Presidente:Dr. Matsuo Seiichi) sono riusciti a sviluppare un qubit superconduttore interamente nitruro utilizzando la crescita epitassiale su un substrato di silicio che non utilizza l'alluminio come materiale conduttivo.

Questo qubit utilizza nitruro di niobio (NbN) con una temperatura di transizione superconduttiva di 16 K (-257 ° C) come materiale dell'elettrodo, e nitruro di alluminio (AlN) per lo strato isolante della giunzione Josephson. È un nuovo tipo di qubit realizzato con materiali interamente nitruri cresciuti epitassialmente su un substrato di silicio e privi di ossidi amorfi, che sono una delle principali fonti di rumore. Realizzando questo nuovo materiale qubit su un substrato di silicio, sono stati ottenuti lunghi tempi di coerenza:un tempo di rilassamento energetico ( T ₁ ) di 16 microsecondi e un tempo di rilassamento di fase ( T ₂ ) di 22 microsecondi come valori medi. Questo è circa 32 volte T ₁ e circa 44 volte T ₂ di qubit superconduttori di nitruro cresciuti su un substrato di ossido di magnesio convenzionale.

Usando il nitruro di niobio come superconduttore, è possibile costruire un circuito quantistico superconduttore che funzioni in modo più stabile, e si prevede che contribuirà allo sviluppo di computer quantistici e nodi quantistici come elementi di base del calcolo quantistico. Continueremo a lavorare sull'ottimizzazione della struttura del circuito e del processo di fabbricazione, e procederemo con ricerca e sviluppo per estendere ulteriormente il tempo di coerenza e realizzare un'integrazione su larga scala.

Questi risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica britannica Materiali di comunicazione il 20 settembre 2021 alle 18:00 (ora solare del Giappone).

Contesto e sfide

Verso il prossimo futuro Società 5.0, esistono limiti al miglioramento delle prestazioni dei circuiti a semiconduttore che hanno finora sostenuto la società dell'informazione, e le aspettative per i computer quantistici stanno crescendo come un nuovo paradigma di elaborazione delle informazioni che supera tali limiti. Però, lo stato di sovrapposizione quantistica, indispensabile per il funzionamento di un computer quantistico, viene facilmente distrutto da vari disturbi (rumore), ed è necessario eliminare adeguatamente questi effetti.

Poiché i qubit superconduttori sono elementi a stato solido, hanno un'eccellente flessibilità progettuale, integrazione, e scalabilità, ma sono facilmente colpiti da vari disturbi nel loro ambiente circostante. La sfida è come estendere il tempo di coerenza, che è la durata degli stati di sovrapposizione quantistica. Vari sforzi sono stati compiuti dagli istituti di ricerca di tutto il mondo per superare questo problema, e la maggior parte di essi utilizza film di alluminio (Al) e ossido di alluminio (AlO _X ) come materiali qubit superconduttori. Però, ossido di alluminio amorfo, che viene spesso utilizzato come strato isolante, è una preoccupazione come fonte di rumore, ed era fondamentale studiare materiali che potessero risolvere questo problema.

In alternativa all'alluminio e all'ossido di alluminio amorfo con temperatura di transizione superconduttiva T _C di 1 K (-272 °C), nitruro di niobio cresciuto epitassialmente (NbN) con a T _C di 16 K (-257 °C), NICT ha sviluppato qubit superconduttori utilizzando giunzioni all-nitruro NbN / AlN / NbN, concentrandosi sul nitruro di alluminio (AlN) come strato isolante.

Per realizzare una giunzione Josephson NbN / AlN / NbN (giunzione epitassiale) in cui l'orientamento del cristallo è allineato fino all'elettrodo superiore, è stato necessario utilizzare un substrato di ossido di magnesio (MgO) le cui costanti del reticolo cristallino sono relativamente vicine a quelle di NbN. Però, MgO ha una grande perdita dielettrica, e il tempo di coerenza del bit quantistico superconduttore utilizzando la giunzione NbN / AlN / NbN su

risultati

NICT è riuscita a realizzare giunzioni Josephson epitassiali NbN / AlN / NbN utilizzando nitruro di titanio (TiN) come strato tampone su un substrato di silicio (Si) con una perdita dielettrica minore. Questa volta, utilizzando questa tecnologia di fabbricazione di giunzione, abbiamo progettato, fabbricato, e valutato un qubit superconduttore (vedi Figura 1) che utilizza NbN come materiale dell'elettrodo e AlN come strato isolante della giunzione Josephson.

Come mostrato schematicamente nella Figura 1 (a), il circuito quantistico è fabbricato su un substrato di silicio in modo che la cavità a microonde e il qubit possano essere accoppiati e interagire tra loro come mostrato in Figura 1 (b). Dalla misurazione della trasmissione delle caratteristiche a microonde del risonatore debolmente accoppiato al qubit sotto piccola fluttuazione termica alla temperatura estremamente bassa di 10 mK, abbiamo raggiunto un tempo di rilassamento energetico ( T ₁ ) di 18 microsecondi e un tempo di rilassamento di fase ( T ₂ ) di 23 microsecondi. I valori medi per 100 misurazioni sono T ₁ =16 microsecondi e T ₂ =22 microsecondi. Questo è un miglioramento di circa 32 volte per T ₁ e circa 44 volte per T ₂ rispetto al caso di qubit superconduttori su substrati di MgO.

Per questo risultato, non abbiamo usato alluminio convenzionale e ossido di alluminio per la giunzione Josephson, che è il cuore dei qubit superconduttori. Siamo riusciti a sviluppare un qubit superconduttore di nitruro che ha una temperatura critica superconduttiva elevata T _C ed eccellente cristallinità grazie alla crescita epitassiale. Questi due punti hanno un grande significato. In particolare, è la prima volta che qualcuno al mondo è riuscito a osservare tempi di coerenza nell'ordine delle decine di microsecondi da qubit superconduttori di nitruro riducendo la perdita dielettrica facendoli crescere epitassialmente su un substrato di Si. Il qubit superconduttore di questo nitruro è ancora nelle prime fasi di sviluppo, e riteniamo che sia possibile migliorare ulteriormente il tempo di coerenza ottimizzando il processo di progettazione e fabbricazione del qubit.

Utilizzando questa nuova piattaforma di materiali che potrebbe sostituire l'alluminio convenzionale, accelereremo la ricerca e lo sviluppo dell'elaborazione quantistica delle informazioni, che contribuirà alla realizzazione di un'elaborazione delle informazioni più efficiente e alla realizzazione di nodi quantistici necessari per la costruzione di reti quantistiche sicure e protette.

Prospettive

Abbiamo in programma di lavorare sull'ottimizzazione della struttura del circuito e del processo di fabbricazione con l'obiettivo di estendere ulteriormente il tempo di coerenza e migliorare l'uniformità delle caratteristiche del dispositivo in previsione della futura integrazione su larga scala. In questo modo, miriamo a costruire una nuova piattaforma per l'hardware quantistico che superi le prestazioni dei qubit convenzionali a base di alluminio.