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

国立信息与通信技术研究所(NICT, President: TOKUDA Hideyuki, Ph.D.)的研究人员与国立先进产业科学与技术研究所(AIST, President:亚博老虎机网登录ISHIMURA Kazuhiko博士)和东海国家高等教育和研究系统名古屋大学(校长:松雄诚一博士)已经成功地开发了全氮超导量子位，利用外延生长在硅基板上，不使用铝作为导电材料。

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，而非晶氧化物是亚博网站下载主要的噪声源。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(T₁)和相位松弛时间(T₂)的平均值为22微秒。这大约是32倍T₁大约44次T₂在传统的氧化镁衬底上生长的氮化物超导量子位元。

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。通讯材料亚博网站下载2021年9月20日18:00(日本标准时间)。

背景和挑战

在即将到来的“社会5.0”时代，迄今为止支撑信息社会的半导体电路的性能改善存在局限性，而量子计算机将成为突破这一局限性的新的信息处理范式。然而，量子叠加态是量子计算机运行中不可缺少的，它容易被各种干扰(噪声)破坏，因此有必要适当地消除这些影响。

由于超导量子位元是固态元件，因此在设计上具有很好的灵活性、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，也就是量子叠加态的寿命。为了克服这一问题，世界各地的研究机构正在进行各种努力，其中大多数使用铝(Al)和氧化铝膜(AlO)_x)作为超导量子位材料。亚博网站下载然而，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。亚博网站下载

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16k(-257°C)时，NICT一直在开发使用NbN / AlN / NbN全氮结的超导量子位元，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已经成功地实现了NbN / AlN / NbN外延Josephson结，使用氮化钛(TiN)作为硅(Si)衬底上的缓冲层，具有更小的介电损耗。这一次，我们利用这种结制造技术，设计、制作并评估了一个超导量子比特(见图1)，该超导量子比特使用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，量子电路被制作在硅衬底上，这样微波腔和量子位就可以相互耦合并相互作用，如图1(b)所示。从在10 mK极低温度下小热波动下弱耦合到量子位的谐振腔微波特性的传输测量，我们得到了一个能量弛豫时间(T₁)和相位松弛时间(T₂) 23微秒。100个测量值的平均值是T₁= 16个微秒,T₂= 22微秒。这是32倍的改进T₁大约44次T₂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，结晶度极佳。这两点意义重大。特别是，通过在硅衬底上外延生长，降低介质损耗，在数十微秒内成功观测到氮化超导量子位元的相干时间，这在世界上尚属首次。这种氮化物的超导量子位仍处于开发的早期阶段，我们相信，通过优化量子位的设计和制造工艺，有可能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。