功能纳米材料中心的科学家们使用透射电子显微镜来分析构成量子器件的材料的元素组成。上图显示，钽 （Ta） 和铝 （Al） 层之间没有氧化物。这表明存在良好的金属与金属接触，这对于表现出高相干性的量子器件很重要。图片来源：布鲁克海文国家实验室

耶鲁大学和美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的科学家们开发了一种系统的方法，用于了解构成量子比特的材料如何损失能量。能量损失会抑制这些量子计算机构建模块的性能，因此确定其来源并在必要时调整材料可以帮助研究人员更接近设计出可能彻底改变多个科学领域的量子计算机。

通过他们的新方法，耶鲁大学的科学家们能够设计出一种紧凑的设备，可以存储超过一毫秒的量子信息。

这项研究发表在《自然通讯》（Nature Communications）上，是作为量子优势协同设计中心（C2QA）是由布鲁克海文实验室牵头的国家量子信息科学研究中心，耶鲁大学是该中心的重要合作伙伴。

“我们必须克服的一个重大障碍是提高量子比特保留其中编码的量子信息的能力。这被称为连贯性，“新论文的第一作者Suhas Ganjam解释说。Ganjam在耶鲁大学作为博士生进行了这项研究，现在是谷歌的研究科学家。

几年前，普林斯顿大学的研究人员加入了C2QA成立后——通过用一种称为钽的超导金属代替传统使用的铌或铝，设计出具有创纪录的0.3毫秒相干时间的量子比特。这表明量子比特的组成材料直接影响其性能，但其原因尚不清楚。

因此，科学家们为 C 做出了贡献2QA开始研究当钽暴露在空气中时在钽表面形成的不同种类的钽氧化物。他们通过在钽上涂上一层薄薄的镁来进一步提高相干性，从而防止了材料的氧化。

“研究人员一直在构建具有更好相干时间的设备。但是有很多不同的能量损失来源，我们仍然无法区分哪些正在改善，“Ganjam说。“因此，我们开始区分不同类型的损失。

在耶鲁大学物理学家罗伯特·舍尔科普夫（Robert Schoelkopf）的指导下，他领导了C的器件推力2QA，Ganjam 设计了一种称为三极带状线的装置。

这种新设备由三个在衬底上图案化的超导薄膜条组成，类似于其他量子器件。这些条带以一种特殊的方式排列，因此研究人员不仅可以量化能量损失，还可以通过以三种不同的模式测试设备来确定能量损失的位置 - 每对超导电极一个。

例如，研究人员可以通过观察电磁场被限制在设备表面或扩散到整个基板的模式来区分表面损耗和体介电损耗。如果他们从电磁场被限制在设备表面的模式中观察到更多的损耗，那么损耗主要由表面贡献。

“通过我们对三极带状线的电磁测试，我们可以观察到由钽和铝制成的设备以不同的方式损失不同数量的能量，”Ganjam解释说。

特别是，研究人员发现，使用钽薄膜而不是铝薄膜可以减少表面损失。使用一种称为退火的制造技术，包括加热蓝宝石衬底并使其缓慢冷却，减少了大量介电损耗。

“我们想知道为什么不同的材料和制造技术会影响这样的损失，”Ganjam 说。“因此，我们求助于功能纳米材料中心的合作者。

功能纳米材料中心（CFN）是布鲁克海文实验室的美国能源部科学办公室用户设施，拥有最先进的电子显微镜设施。使用透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜来观察材料的微观结构，该设施的科学家可以帮助其他研究人员，如Ganjam和Schoelkopf，更好地了解他们正在使用的材料。

“我们怀疑量子比特相干性受到能量损失的限制，这是由于材料中的污染物或缺陷造成的，”CFN的高级科学家Minghzao Liu解释说。“因此，我们在CFN上分析量子材料，以寻找这些相干限制特性。

金·基斯林格（Kim Kisslinger）是CFN的高级技术助理，他提取了耶鲁大学科学家的材料和设备的微观横截面，并在原子水平上进行了分析。

“我通过电子显微镜观察这样的项目，”Kisslinger说。“从结晶度到化学成分再到外延，这与晶体材料的取向有关，我可以准确地告诉我们的合作者他们的材料发生了什么，并帮助他们将这些特性与材料的性能联系起来。”

金·基斯林格（Kim Kisslinger）是功能纳米材料中心的高级技术助理，他使用透射电子显微镜来检查量子材料和器件的微观横截面。图片来源：Kevin Coughlin/布鲁克海文国家实验室

刘说：“Kim帮助我们的合作者更好地理解他们的材料，但他也帮助他们通过迭代过程做出有意义的改进。

Kisslinger补充说：“CFN拥有尖端设备，可以支持量子设备所需的材料研究。但我们也拥有一些世界上最合格的科学家和专家。这种高素质的人才和高质量的设备的结合是CFN独有的。

耶鲁大学的研究人员对其设备的电磁特性以及材料成分有了全面的了解，他们利用了一种能量损失模型，该模型可以根据其组成材料和电路几何形状预测设备的相干性。在这个预测模型的帮助下，他们优化了电路几何形状，以构建一个相干时间大于一毫秒的量子设备。

“这项研究标志着中国高等教育的一个重要里程碑2QA任务。甚至超越了更长的相干时间，它展示了通过量子设备和材料科学家的密切合作进一步增强相干性的前进道路，“C说2QA副主任傅开梅。

Schoelkopf实验室的量子比特设计专家与CFN材料表征专家之间的合作始于该中心的建立，体现了C2QA的原则是“共同设计”材料和算法，以实现性能优于经典计算机的量子计算机。

“像这样的合作是解锁最佳材料和最佳制造工艺的关键，这将有助于 C2QA实现了他们的目标，“Ganjam说。

“多年来，看到这些量子比特设计项目在范围和成功方面不断扩大，这是非常有益的，”Liu补充道。“没有合作，就不可能有这样的科学进步。”

更多信息：Suhas Ganjam 等人，通过优化材料和电路设计，在片上超导量子存储器中超越毫秒相干性，《自然通讯》（Nature Communications，2024 年）。DOI： 10.1038/s41467-024-47857-6

期刊信息： Nature Communications