Per anni, il niobio è stato considerato poco performante quando si trattava di qubit superconduttori. Ora, gli scienziati supportati da Q-NEXT hanno trovato un modo per progettare un qubit basato sul niobio ad alte prestazioni e sfruttare le qualità superiori del niobio.
Quando si tratta di tecnologia quantistica, il niobio sta tornando alla ribalta.
Negli ultimi 15 anni, il niobio è rimasto in panchina dopo aver sperimentato alcuni mediocri scontri come materiale centrale per i qubit.
I qubit sono i componenti fondamentali dei dispositivi quantistici. Un tipo di qubit si basa sulla superconduttività per elaborare le informazioni.
Presentato per le sue qualità superiori come superconduttore, il niobio è sempre stato un candidato promettente per le tecnologie quantistiche. Tuttavia, gli scienziati hanno trovato difficile progettare il niobio come componente principale del qubit, quindi è stato relegato alla seconda serie del Team Superconducting Qubit.
Ora, un gruppo guidato da David Schuster dell'Università di Stanford ha dimostrato un modo per creare qubit basati sul niobio che competono con quelli più avanzati della loro classe.
"Abbiamo dimostrato che il niobio è di nuovo rilevante, ampliando le possibilità di ciò che possiamo fare con i qubit", ha affermato Alexander Anferov della divisione di scienze fisiche dell'Università di Chicago, uno degli scienziati principali del risultato.
Il lavoro del team è pubblicato in Physical Review Applied .
Sfruttando le straordinarie caratteristiche del niobio, gli scienziati saranno in grado di espandere le capacità di computer, reti e sensori quantistici. Queste tecnologie quantistiche si basano sulla fisica quantistica per elaborare le informazioni in modi che surclassano le loro controparti tradizionali e si prevede che miglioreranno aree diverse come la medicina, la finanza e la comunicazione.
Quando si tratta di qubit superconduttori, l’alluminio ha fatto da padrone. I qubit superconduttori a base di alluminio possono memorizzare informazioni per un tempo relativamente lungo prima che i dati inevitabilmente si disintegrino. Questi tempi di coerenza più lunghi significano più tempo per l'elaborazione delle informazioni.
I tempi di coerenza più lunghi per un qubit superconduttore a base di alluminio sono di pochi centomilionesi di secondo. Al contrario, negli ultimi anni, i migliori qubit basati sul niobio hanno prodotto tempi di coerenza 100 volte più brevi:poche centinaia di miliardesimi di secondo.
Nonostante la breve durata del qubit, il niobio aveva delle attrazioni. Un qubit a base di niobio può funzionare a temperature più elevate rispetto alla sua controparte in alluminio e quindi richiederebbe un raffreddamento inferiore. Può anche funzionare su una gamma di frequenze otto volte maggiore e un'enorme gamma di campi magnetici 18.000 volte più ampia rispetto ai qubit a base di alluminio, ampliando il menu di utilizzi della famiglia dei qubit superconduttori.
Sotto un aspetto, non c'era competizione tra i due materiali:il raggio d'azione del niobio superava quello dell'alluminio. Ma per anni, il breve tempo di coerenza ha reso il qubit basato sul niobio un fallimento.
"Nessuno ha realizzato così tanti qubit dalle giunzioni del niobio perché erano limitati dalla loro coerenza", ha detto Anferov. "Ma il nostro gruppo voleva creare un qubit che potesse funzionare a temperature più elevate e con una gamma di frequenze più ampia, a 1 K e 100 gigahertz. E per entrambe queste proprietà, l'alluminio non è sufficiente. Avevamo bisogno di qualcos'altro."
Quindi il team ha dato un'altra occhiata al niobio.
Nello specifico, hanno dato un'occhiata alla giunzione Josephson del niobio. La giunzione Josephson è il cuore di elaborazione delle informazioni del qubit superconduttore.
Nell'elaborazione classica delle informazioni, i dati arrivano in bit che sono 0 o 1. Nell'elaborazione delle informazioni quantistiche, un qubit è una miscela di 0 e 1. Le informazioni del qubit superconduttore "vivono" come una miscela di 0 e 1 all'interno della giunzione. Quanto più a lungo la giunzione può sostenere le informazioni in quello stato misto, migliore è la giunzione e migliore il qubit.
La giunzione Josephson è strutturata come un sandwich, costituito da uno strato di materiale non conduttore schiacciato tra due strati di metallo superconduttore. Un conduttore è un materiale che fornisce un facile passaggio per la corrente elettrica. Un superconduttore fa un salto di qualità:trasporta corrente elettrica con resistenza pari a zero. L'energia elettromagnetica scorre tra gli strati esterni della giunzione nello stato quantico misto.
La tipica e affidabile giunzione Josephson in alluminio è costituita da due strati di alluminio e uno strato intermedio di ossido di alluminio. Una tipica giunzione del niobio è costituita da due strati di niobio e uno strato intermedio di ossido di niobio.
Il gruppo di Schuster ha scoperto che lo strato di ossido di niobio della giunzione indebolisce l'energia necessaria per sostenere gli stati quantistici. Hanno anche identificato l'architettura di supporto delle giunzioni di niobio come una grande fonte di perdita di energia, causando il collasso dello stato quantico del qubit.
La svolta del team ha comportato sia una nuova disposizione delle giunzioni che una nuova tecnica di fabbricazione.
Il nuovo assetto ha fatto appello a un amico familiare:l’alluminio. Il progetto ha eliminato l'ossido di niobio che succhia energia. E invece di due materiali distinti, ne ha utilizzati tre. Il risultato è stato una giunzione a tre strati a bassa perdita:niobio, alluminio, ossido di alluminio, alluminio, niobio.
"Abbiamo adottato questo approccio migliore dei due mondi", ha affermato Anferov. "Il sottile strato di alluminio può ereditare le proprietà superconduttrici del vicino niobio. In questo modo possiamo utilizzare le comprovate proprietà chimiche dell'alluminio e mantenere comunque le proprietà superconduttrici del niobio."
La tecnica di fabbricazione del gruppo prevedeva la rimozione delle impalcature che sostenevano la giunzione del niobio negli schemi precedenti. Hanno trovato un modo per mantenere la struttura della giunzione eliminando al contempo il materiale estraneo che provocava perdite e che ostacolava la coerenza dei progetti precedenti.
"Si scopre che semplicemente liberarsi della spazzatura ha aiutato", ha detto Anferov.
Dopo aver incorporato la nuova giunzione in qubit superconduttori, il gruppo Schuster ha raggiunto un tempo di coerenza di 62 milionesimi di secondo, 150 volte più lungo dei suoi predecessori al niobio con le migliori prestazioni. I qubit hanno mostrato anche un fattore di qualità, un indice della capacità di un qubit di immagazzinare energia, di 2,57 x 10 5 , un miglioramento di 100 volte rispetto ai precedenti qubit a base di niobio e competitivo con i fattori di qualità dei qubit a base di alluminio.
"Abbiamo realizzato questa giunzione che conserva ancora le proprietà interessanti del niobio e abbiamo migliorato le proprietà di perdita della giunzione", ha affermato Anferov. "Possiamo sovraperformare direttamente qualsiasi qubit in alluminio perché l'alluminio è un materiale inferiore sotto molti aspetti. Ora ho un qubit che non muore a temperature più elevate, che è la grande novità."
I risultati probabilmente aumenteranno il posto del niobio nella gamma dei materiali qubit superconduttori.
"Questa è stata una prima incursione promettente, avendo resuscitato le giunzioni del niobio", ha detto Schuster. "Con l'ampia portata operativa dei qubit basati sul niobio, apriamo una serie completamente nuova di funzionalità per le future tecnologie quantistiche."
Ulteriori informazioni: Alexander Anferov et al, Coerenza migliorata nei qubit con giunzione a tre strati di niobio definiti otticamente, Revisione fisica applicata (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.024047. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.05883
Fornito dal Laboratorio nazionale Argonne
