科学家发现了影响超导量子比特性能的缺陷

光子盒研究院出品

美国能源部费米国家加速器实验室的研究人员和他们的合作者在超导量子比特中发现了一种新型的纳米结构缺陷，这种缺陷会影响超导量子比特——超导量子计算机的基石。

费米实验室的Alexander Romanenko和他的同事在arXiv.org网站上的一篇论文中[1]描述了被称为纳米氢化物的性能限制材料的来源。

识别新的缺陷并了解其成因是寻找解决方案和提高量子比特性能的重要一步。改进超导量子比特的主要机会之一是延长相干时间——它们可以存储多长时间的量子信息。

在超导量子材料和系统中心进行的研究将提高超导量子比特的相干性，并开发出先进的量子计算机。量子计算机未来可能用于模拟气候变化和极端天气事件、开发药物、改善交通模式和创建金融模型。

目前，超导transmon量子比特可以在几微秒到数百微秒之间保持相干性。而纳米氢化物的形成现已被确定为导致相干时间短的因素之一。

聚焦离子束仪是一种用于观察超导量子比特器件表面并制备器件特定区域薄层以进行透射电子显微镜分析的工具。

“现在我们可以开始了解这些缺陷是如何发生的，”Rigetti Computing的工程总监、该论文的合著者Matt Reagor说。“我们可以开始从我们的系统中设计它们。”

费米实验室超导量子材料和系统中心(SQMS)的研究人员在超低温下对量子材料进行显微镜检查时发现了这种纳米级缺陷的证据。涉及的测试样本是由制造超导量子计算机的初创公司Rigetti Computing生产的量子比特。

这项新的技术发现是Q-disease(一种腔体性能的严重退化)的一种变体，几十年前费米实验室SRF团队在为粒子加速器建造的铌超导射频腔体中发现了这种现象。

在这些空腔中，铌中大量包含的氢在冷却到低温时会产生大量的氢化物沉淀物。铌SRF腔的高温热处理，也称为脱气，已成为控制这种氢化物形成的标准方法。

几年前，费米实验室SRF团队发现了一种小得多的沉淀物，称为纳米氢化物，即使在应用高温处理后，它也会在铌SRF腔中形成。这些沉淀物是非超导的，会导致铌谐振器的性能下降。

费米实验室的首席技术官Romanenko说：“氢的存在会影响量子比特中的铌，就像它在铌SRF腔中的作用一样，这就是为什么我们决定首次应用低温显微镜技术来研究超导量子比特。我们需要研究量子器件在其工作温度下的纳米结构。”

当暴露于氢或含氢化合物时，铌就会像海绵一样吸收它们。铌的氧化物涂层只能提供有限的防止氢吸收的保护。Grassellino解释说：“通常在制造这些器件的过程中，我们会去除这些氧化物。裸露的表面铌喜欢吸收氢。”

现在物理学家知道，即使是微量的氢也可以通过氢化物(纳米级)来影响量子比特。消除量子比特处理过程中的氢气会有所帮助。尽管如此，微量元素仍然存在于铌中，就像溶解在一杯咖啡中的糖一样。

超导量子比特的显微镜测量表明，当冷却到低温时，纳米级的氢化铌化合物颗粒会出现在铌颗粒中。与铌相比，这些氢化物的超导性能较差，因此它们可能导致量子比特的退相干。图a显示了从氢化铌沉淀物中提取的衍射图案，证实了它们在铌颗粒中的存在，这些沉淀物的分布在图a和图c中详细说明。

虽然可通过确定处理过程中的哪些步骤将铌暴露于氢中，然后尝试消除它们。但Romanenko表示：“可能无法完全消除氢。”专门研究铌SRF腔的Romanenko最近致力于将加速器腔调整为3D设备，以在与Rigetti等2D量子比特结合时存储量子信息。

费米实验室的研究人员在超低温下罕见地使用了先进的分析技术来揭示这一新现象。原子力显微镜、扫描电子显微镜和二次离子质谱都在纳米氢化物实验中发挥了作用。

在室温下，氢以气体的形式存在，在整个铌金属中流动，不会产生任何问题。但是当冷却到160K(-113.15℃)时，氢键与铌结合，因此铌氢化物开始生长。铌吸收的氢越多，纳米氢化物越多，反之亦然。

重复测试表明，氢化物会在冷却到大约80K至200K的温度后几分钟内就会形成。然后随着温度降至77K以下，氢几乎冻结在原位，氢化物的形成停止了。

在费米实验室应用物理和超导技术部门的材料科学实验室，Jaeyel Lee(左)和Zuhawn Sung(右)分析纳米氢化物。

Romanenko说：“量子计算机操作中常见的正常加热、冷却循环都会进一步影响纳米氢化物的形成，但方式不同。”

超导量子材料和系统中心SQMS是美国五大能源部国家量子信息科学研究中心。SQMS将与行业合作伙伴携手合作，在费米实验室建造一台量子计算机和新的量子传感器。

参考链接：

[1]https://arxiv.org/abs/2108.10385

[2]https://news.fnal.gov/2021/12/sqms-researchers-discover-performance-limiting-nanohydrides-in-superconducting-qubits/

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