研究人员在硅衬底上利用外延生长开发全氮超导量子比特

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看过的劳拉·汤姆森2021年9月21日

国家信息和通信技术研究所（NICT，院长：TOKUDA Hideyuki博士）的研究人员与国家先进工业科学技术研究所（AIST，院长：ISHIMURA Kazuhiko博士）的研究人员合作而东海国立高等教育和研究系统名古屋大学（校长：MATSUO Seiichi博士）已经成功开发出一种全氮化物超导量子比特，该量子比特使用硅衬底上的外延生长，而不使用铝作为导电材料。欧洲杯线上买球

该量子位采用超导过渡温度为16k(-257°C)的氮化铌(NbN)作为电极材料，氮化铝(AlN)作为约瑟夫森结的绝缘层。它是一种新型的量子比特，由硅衬底上外延生长的全氮材料制成，不含任何非晶氧化物，而非晶氧化物是欧洲杯足球竞彩主要的噪声源。通过在硅衬底上实现这种新材料量子位，获得了较长的相干时间:能量弛豫时间(T_1.)16微秒和相位弛豫时间(T_2.)的平均值为22微秒。这大约是32倍T_1.大约44次T_2.在传统氧化镁衬底上生长的氮化物超导量子位。

利用氮化铌作为超导体，可以构建运行更稳定的超导量子电路，有望对量子计算机和量子节点作为量子计算的基本元素的发展做出贡献。我们将继续优化电路结构和制造工艺，并将继续进行研发，进一步延长相干时间，实现大规模集成。

这些研究结果发表在英国科学杂志上。通讯材料欧洲杯足球竞彩2021年9月20日18:00(日本标准时间)。

背景和挑战

对于即将到来的未来社会5.0，迄今为止支持信息社会的半导体电路的性能改进存在局限性，而量子计算机作为一种突破这些局限性的新信息处理范式的期望也在上升。然而，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。

由于超导量子位是固态元件，因此它们具有极好的设计灵活性、集成度和可扩展性，但它们很容易受到周围环境中各种干扰的影响。挑战在于如何延长相干时间，即量子叠加态的寿命。目前正在做出各种努力为了克服这一问题，世界各地的研究机构都采用了铝（Al）和氧化铝薄膜（AlO）_x)作为超导量子位材料。欧洲杯足球竞彩然而，作为一种噪声源，非晶态氧化铝作为一种常用的绝缘层，一直受到人们的关注，因此研究能够解决这一问题的材料是十分必要的。欧洲杯足球竞彩

作为铝和非晶氧化铝的替代品，具有超导过渡温度T_C在1 K(-272°C)，外延生长氮化铌(NbNT_C在16 K（-257°C）温度下，NICT一直在开发使用NbN/AlN/NbN全氮化物结的超导量子比特，重点是氮化铝（AlN）作为绝缘层。

为了实现NbN / AlN / NbN约瑟夫森结(外延结)，晶体取向向上电极方向排列，必须使用与NbN晶格常数相对接近的氧化镁(MgO)衬底。然而，MgO具有较大的介电损耗，在MgO衬底上使用NbN / AlN / NbN结的超导量子比特的相干时间仅为0.5微秒左右。

成就

NICT利用氮化钛（TiN）作为硅（Si）衬底上的缓冲层，以较小的介电损耗成功实现了NbN/AlN/NbN外延约瑟夫森结。这次，利用这种结制造技术，我们设计、制造并评估了超导量子比特（见图1）它使用NbN作为电极材料，AlN作为约瑟夫森结的绝缘层。

如图1（a）所示，量子电路是在硅衬底上制造的，因此微波腔和量子位可以相互耦合和相互作用，如图1（b）所示通过在10 mK的极低温度下对弱耦合到量子位的谐振器在小热波动下的微波特性的透射测量，我们获得了能量弛豫时间(T_1.)18微秒和相位弛豫时间(T_2.) 23微秒。100个测量值的平均值是T_1.= 16个微秒,T_2.=22微秒。这是一个大约32倍的改进T_1.大约44次T_2.与MgO衬底上的超导量子位相比较。

对于这个结果，我们没有使用传统的铝和氧化铝来制作约瑟夫森结，而约瑟夫森结是超导量子位元的核心。我们成功地研制了具有高超导临界温度的氮化物超导量子位元T_C由于外延生长，具有优异的结晶性。这两点意义重大。特别是，这是世界上首次有人通过在硅衬底上外延生长氮化物超导量子位来减少介电损耗，从而成功地观测到几十微秒的相干时间。这种氮化物的超导量子位元仍处于开发的早期阶段，我们相信通过优化量子位元的设计和制造工艺，可以进一步提高相干时间。

利用这种可能取代传统铝的新型材料平台，我们将加快量子信息处理的研发，这将有助于实现更省电的信息处理，实现构建安全可靠的量子网络所需的量子节点。