Diseño y rendimiento de Transmon qubit. (a) Imagen óptica en falso color de un qubit transmon representativo de nuestro estudio. Las regiones de niobio incluyen el pin central del resonador de guía de ondas coplanar (verde), las almohadillas del capacitor transmon (violeta), y el plano de tierra (gris). La unión Josephson de aluminio se muestra en blanco. Las áreas negras indican dónde se ha grabado el metal, y se expone el sustrato de zafiro. (b) Diagrama de circuito efectivo de un qubit transmon acoplado a un resonador. Cada elemento del circuito está coloreado esquemáticamente como en (a). El resonador se compone de un pin central acoplado a tierra a través de un condensador (Cr) y un inductor (Lr). EJ y C se refieren a la energía Josephson y la capacitancia del qubit respectivamente. El qubit está acoplado capacitivamente al pin central del resonador (Cc) y a tierra (Cg). (c) Tiempos de relajación medidos (T1) para tres rondas de dispositivos fabricados con chisporroteo (círculos morados), HiPIMS optimizado (diamantes azules), y películas de niobio normales HiPIMS (cuadrados verdes), para un total de nueve dispositivos. Las barras de error indican la desviación estándar en todas las mediciones de T1 tomadas en un dispositivo en particular. Crédito:Materiales de comunicación, 10.1038 / s43246-021-00174-7
La conexión entre las propiedades microscópicas del material y la coherencia de los qubits no se comprende bien a pesar de la evidencia práctica de que las imperfecciones del material representan un obstáculo para las aplicaciones de los qubits superconductores. En un nuevo informe ahora publicado en Materiales de comunicación , Anjali Premkumar y un equipo de científicos en ingeniería eléctrica, nanomateriales, física e ingeniería angstrom en la Universidad de Princeton y en Ontario, Canadá, mediciones combinadas de relajación qubit transmon (T 1 ) tiempos con espectroscopia, junto con la microscopía de películas de niobio policristalino (Nb) utilizadas durante el desarrollo de qubit. Basado en películas depositadas mediante tres técnicas diferentes, el equipo reveló correlaciones entre los tiempos de relajación del qubit transmon y las propiedades intrínsecas de la película, incluido el tamaño del grano para mejorar la difusión del oxígeno a lo largo de los límites del grano, al mismo tiempo que aumenta la concentración de subóxidos cerca de la superficie. La relación de resistencia residual de las películas de niobio policristalino se puede utilizar como una figura de mérito para comprender la vida útil de los qubit. y el nuevo enfoque traza un camino para las mejoras impulsadas por los materiales del rendimiento de los cúbits superconductores.
Materiales qubit superconductores
En este trabajo, Premkumar y col. cerró la brecha entre el rendimiento del qubit y los materiales microscópicos, basado en una investigación específica de materiales y dispositivos de qubits transmon. La tecnología qubit superconductora es una plataforma prometedora para la computación cuántica tolerante a fallas. Los científicos han logrado mejoras significativas en la coherencia de los qubit a través de nuevos diseños de dispositivos y procesos de fabricación mejorados. Sin embargo, las mejoras en el rendimiento han comenzado a estabilizarse ya que las fuentes dominantes de decoherencia no se comprenden bien. Como resultado, La investigación en el tema ha surgido con el fin de comprender los métodos de limitar los mecanismos de pérdida en materiales de qubit. Muchos estudios han destacado el papel de las superficies y las interfaces durante la decoherencia de qubits transmon, incluyendo los mecanismos propuestos que involucran interacciones entre el qubit y objetos microscópicos. Para comprender los fenómenos, Se requiere un alcance de investigación multidisciplinaria para investigar las propiedades relevantes de los materiales y sus conexiones con el desempeño del qubit. Premkumar y col. utilizó espectroscopía y microscopía de rayos X de resolución espacial para caracterizar las propiedades estructurales y electrónicas de las películas delgadas de niobio utilizadas en dispositivos de qubit transmon. El equipo detalló los mecanismos subyacentes de las características microscópicas observadas a los tiempos de resistencia y relajación. Los resultados forman un paso crítico para conectar las propiedades precisas de los materiales con modelos microscópicos para mejorar el rendimiento del qubit.
Espectroscopía de fotoemisión de rayos X (PES) de las películas de Nb con energía fotónica variable. (a) Espectro PES representativo de los niveles de núcleo Nb 3d3 / 2 y 3d5 / 2, medido en la película pulverizada para una energía de fotón (hν) de 3330 eV (puntos negros) y encaja con cinco componentes. (b) Espectros medidos para los tres tipos de película a 3330 eV, normalizado a la intensidad del componente Nb2O5. Para cada película, la intensidad medida de los picos de Nb (c) y Nb2O5 (d) se representa gráficamente a varias energías de fotones. La suma de las señales de los diferentes estados de oxidación en una película dada se normaliza a uno, y las barras de error muestran un error del 1%, según se estima a partir de la relación señal-ruido de los datos medidos. La intensidad de Nb y Nb2O5 aumenta y disminuye con la energía, respectivamente, indicando la presencia de una capa de óxido superficial. Crédito:Materiales de comunicación, 10.1038 / s43246-021-00174-7 
El equipo realizó la caracterización de qubits en qubits de transmon que se utilizan habitualmente para la computación cuántica y la simulación cuántica. El diseño del qubit transmon incluye una unión Josephson con una delgada barrera de óxido de aluminio entre los cables superconductores desviados por un condensador grande para formar un qubit coherente. Los científicos pueden controlar los transmons en una plataforma de electrodinámica cuántica de circuito y medir la transmisión de monitoreo a la frecuencia del resonador, en función del estado qubit. Durante el estudio, Premkumar y col. utilizó tres métodos de deposición diferentes para depositar la película de niobio y fabricar los dispositivos transmon. Primero, depositaron los materiales sobre sustratos de zafiro y utilizaron la deposición catódica de corriente continua para la fabricación de cúbits superconductores. Luego utilizaron otros dos métodos, incluida la pulverización catódica con magnetrón de impulso de alta potencia (HiPIMS) y optimizaron la técnica para mejorar el grado de ionización y desarrollar películas más densas. Luego, los científicos caracterizaron la dependencia del desempeño del qubit en las técnicas de deposición usando mediciones de relajación (T 1 ). Los resultados mostraron una clara diferencia estadística entre las tres técnicas de deposición, donde el niobio pulverizado se desempeñó mejor de manera consistente, seguido del método HiPIMS optimizado y luego el método HiPIMS normal. El equipo utilizó una variedad de métodos de caracterización para estudiar las películas y comprender los posibles orígenes microscópicos de las diferencias de coherencia.
Perfiles de profundidad de los diferentes estados de oxidación del Nb. Los perfiles para el bombardeado (a), HiPIMS optimizado (b), y las películas HiPIMS normales (c) Nb se reconstruyeron a partir de datos de PES utilizando un algoritmo de método de máxima entropía. Cada película muestra una capa superficial de unos pocos nm de Nb2O5, una capa de transición con concentraciones variables de diferentes subóxidos, y el volumen de metal Nb. En particular, la película normal de HiPIMS muestra concentraciones significativas de NbO y NbO2 en la capa de transición y una penetración más profunda de NbOx en el metal. Crédito:Materiales de comunicación, 10.1038 / s43246-021-00174-7
Espectros de dispersión de rayos X inelásticos resonantes (RIXS) medidos para las películas de Nb. a Mediciones de RIXS en la resonancia del borde K de oxígeno para una energía incidente de 531 eV. El recuadro muestra el espectro de absorción O-K de la película pulverizada con una línea discontinua vertical en la resonancia. b Vista cercana de los espectros RIXS después de restar la línea elástica, con la densidad de estados de fonones (DOS) calculada para Nb2O5 a partir de 45. El factor de escala general del DOS se eligió para ayudar a la visualización. Se informó que la DOS surge tanto del niobio como del oxígeno hasta ≈70 meV, y principalmente de oxígeno a energías más altas, representado por las bandas azul y rosa, respectivamente. La menor intensidad a mayores energías para las películas HiPIMS indica una mayor concentración de vacantes de oxígeno. Crédito:Materiales de comunicación, 10.1038 / s43246-021-00174-7
Entendiendo el material de la superficie
Para comprender los óxidos superficiales en los tres tipos de películas de Nb, Premkumar y col. utilizó una combinación de métodos como la espectroscopia de fotoemisión de rayos X blandos y duros y la dispersión de rayos X inelástica resonante. Los tres tipos de película mostraron pentóxido de niobio (Nb 2 O 5 ) para ser el constituyente principal. La película pulverizada contenía la interfaz óxido-metal más nítida, seguido del método optimizado de HiPIMS y la técnica de deposición de película normal de HiPIMS. Los científicos también utilizaron dispersión de rayos X inelástica resonante para lograr sensibilidad a las excitaciones de baja energía de la estructura electrónica. Luego correlacionaron los hallazgos de óxido de superficie con la morfología de la superficie y el tamaño de grano utilizando microscopía electrónica de transmisión, espectros de pérdida de energía electrónica y mediciones de microscopía de fuerza atómica para los tres tipos de películas de Nb. La morfología cercana a la superficie de la película HiPIMS-normal era visiblemente diferente, donde la capa de óxido se adhirió a los granos inferiores. Los espectros de pérdida de energía de electrones proporcionaron una perspectiva de las propiedades químicas cerca de la superficie del óxido-metal, mientras que la microscopía electrónica de transmisión destacó los límites de grano de cada muestra y la microscopía de fuerza atómica indicó más información sobre la morfología y el tamaño del grano.
Imagen estructural y química de los tres tipos de película de Nb. Todas las medidas se muestran para la pulverización catódica, HiPIMS optimizado, y películas normales HiPIMS, respectivamente. Los paneles (a) - (c) muestran mediciones de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) en secciones transversales de las superficies de las películas, revelando una capa de óxido de ≈ 5 nm y variaciones en el tamaño de grano. Los paneles (d) - (f) muestran espectros de espectroscopía de pérdida de energía electrónica (EELS) de borde O-K medidos en las ubicaciones indicadas en las imágenes HAADF-STEM. Para películas pulverizadas y optimizadas para HiPIMS, Tanto los espectros EELS dentro de un grano (izquierda) como los espectros tomados a lo largo de un límite de grano (derecha) muestran una transición de un pico doble (Nb2O5) a un pico único (subóxidos) a un pico insignificante (metal). Sin embargo, para la película normal HiPIMS, Los espectros EELS a lo largo del límite del grano revelan picos de oxidación similares a la capa de óxido superficial, lo que indica que el oxígeno se ha difundido en el límite del grano para formar óxidos. Los paneles (g) - (i) muestran imágenes TEM de campo claro de secciones transversales de las superficies de las películas, donde las líneas de puntos blancos delinean los límites de grano para las películas optimizadas HiPIMS y pulverizadas, y la flecha amarilla apunta a un espacio en el límite de grano para la película normal HiPIMS. El granulado capa gris claro sobre la superficie es platino, que protege la superficie durante la preparación de la muestra. Los paneles (j) - (l) muestran imágenes de microscopía de fuerza atómica (AFM) medidas en un área de 500 nm x 500 nm. Es visualmente evidente que el tamaño de grano de la película pulverizada es el más grande, y el tamaño de grano de película normal de HiPIMS es el más pequeño. Crédito:Materiales de comunicación, 10.1038 / s43246-021-00174-7
panorama
De este modo, Anjali Premkumar y sus colegas observaron una clara correlación entre los tiempos de relajación de los qubit (T 1 ) y la caracterización de películas de Nb (niobio), incluida la relación de resistencia residual, tamaño de grano y concentración de subóxido de superficie. El equipo descubrió que el tiempo total de relajación del qubit es la suma de múltiples mecanismos; donde las películas Nb depositadas por diversas técnicas dominaron los resultados. Por lo tanto, el estudio estableció un vínculo significativo entre el rendimiento de los qubits transmon superconductores y las propiedades de los materiales durante la fabricación de qubits. El trabajo investigó las variaciones microscópicas entre las películas delgadas de Nb depositadas utilizando tres métodos diferentes de pulverización catódica. para comprender específicamente el tamaño de grano, integración y penetración del subóxido en la interfaz óxido-metal, y concentración intragrano de subóxido cerca de la superficie. Los resultados de este estudio forman una base sólida para desarrollar modelos físicos que puedan guiar el desarrollo de materiales para qubits superconductores.
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