“高温”新型超导量子比特为大型量子计算机铺平道路

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日本情报通信研究机构(NICT)的研究人员开发出了一种全氮化物超导量子比特，这种量子比特在硅衬底上外延生长，可用于大型量子计算机。

氮化铌(NbN)器件是一种新型量子比特，由外延生长在硅衬底上的全氮化物材料制成，不含任何非晶态氧化物(这是主要的噪声源)。

这种量子比特不使用铝作为导电材料。它的超导转变温度为16K(-257℃)，约瑟夫森结的绝缘层为氮化铝(AlN)。这比其他超导量子比特结构所需的温度高15度。

通过在硅衬底上构建这个量子比特，获得了长相干时间：平均值为16微秒的能量弛豫时间(T1)和22微秒的相位弛豫时间(T2)。这大约是在传统氧化镁衬底上生长的氮化物超导量子比特T1的32倍和T2的44倍。

通过使用氮化铌作为超导体，有可能构建运行更稳定的超导量子电路，并有望促进量子计算机和量子节点作为量子计算基本元素的发展。研究人员将继续致力于优化电路结构和制造工艺，并将继续研发，以进一步延长相干时间，实现大规模集成。

a.量子比特芯片；b.与硅衬底上由NbN/TiN制成的半波长(λ/2)共面波导(CPW)谐振器耦合的通量量子比特，并显示了带有三个NbN/AlN/NbN约瑟夫森结(标记为JJ1、JJ2和JJ3)的通量量子比特结构的放大图像；c.在量子比特测量之后的三个JJ；d.量子比特的厚度剖面；e.蓝色星形和虚线所示零件的横截面示意图b，JJ部分用橙色虚线椭圆标出。

9月20日，研究结果发表在《自然》旗下《通讯-材料》期刊上。

量子叠加态对于量子计算机的运行是必不可少的，它很容易被各种干扰(噪声)破坏，因此有必要适当地消除这些影响。挑战在于如何延长相干时间，即量子叠加态的寿命。

这是世界上第一次通过在硅衬底上外延生长氮化物超导量子比特来减少介电损耗，从而成功地在氮化物超导量子比特中观察到几十微秒的相干时间。使用这种新的材料平台，有可能取代传统的铝，并可以加速量子信息处理的研发。

参考链接：

[1]https://www.eenewseurope.com/news/all-nitride-superconducting-qubit-silicon-substrate

[2]https://www.nature.com/articles/s43246-021-00204-4

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