Investigadores del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NTIC, Presidente:Tokuda Hideyuki, Doctor.), en colaboración con investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST, Presidente:Dr. Ishimura Kazuhiko) y el Sistema Nacional de Investigación y Educación Superior de Tokai de la Universidad de Nagoya (Presidente:Dr. Matsuo Seiichi) han logrado desarrollar un qubit superconductor totalmente de nitruro utilizando crecimiento epitaxial en un sustrato de silicio que no usa aluminio como material conductor.

Este qubit utiliza nitruro de niobio (NbN) con una temperatura de transición superconductora de 16 K (-257 ° C) como material de electrodo, y nitruro de aluminio (AlN) para la capa aislante de la unión Josephson. Es un nuevo tipo de qubit hecho de materiales totalmente de nitruro cultivados epitaxialmente sobre un sustrato de silicio y libre de óxidos amorfos. que son una fuente importante de ruido. Al realizar este nuevo material qubit sobre un sustrato de silicio, Se han obtenido tiempos de coherencia largos:un tiempo de relajación energética ( T ₁ ) de 16 microsegundos y un tiempo de relajación de fase ( T ₂ ) de 22 microsegundos como valores medios. Esto es aproximadamente 32 veces T ₁ y unas 44 veces T ₂ de qubits superconductores de nitruro cultivados sobre un sustrato de óxido de magnesio convencional.

Al usar nitruro de niobio como superconductor, es posible construir un circuito cuántico superconductor que funcione de manera más estable, y se espera que contribuya al desarrollo de las computadoras cuánticas y los nodos cuánticos como elementos básicos de la computación cuántica. Continuaremos trabajando para optimizar la estructura del circuito y el proceso de fabricación, y procederemos con la investigación y el desarrollo para ampliar aún más el tiempo de coherencia y lograr una integración a gran escala.

Estos resultados fueron publicados en la revista científica británica Materiales de comunicación el 20 de septiembre de 2021 a las 18:00 (hora estándar de Japón).

Antecedentes y desafíos

Hacia el futuro venidero Society 5.0, existen límites para la mejora del rendimiento de los circuitos semiconductores que han apoyado a la sociedad de la información hasta ahora, y las expectativas para las computadoras cuánticas están aumentando como un nuevo paradigma de procesamiento de información que rompe esos límites. Sin embargo, el estado de superposición cuántica, que es indispensable para el funcionamiento de una computadora cuántica, se destruye fácilmente por diversas perturbaciones (ruido), y es necesario eliminar adecuadamente estos efectos.

Dado que los qubits superconductores son elementos de estado sólido, tienen una excelente flexibilidad de diseño, integración, y escalabilidad, pero se ven fácilmente afectados por diversas perturbaciones en su entorno circundante. El desafío es cómo extender el tiempo de coherencia, que es la vida útil de los estados de superposición cuántica. Los institutos de investigación de todo el mundo están realizando diversos esfuerzos para superar este problema. y la mayoría de ellos utilizan película de aluminio (Al) y óxido de aluminio (AlO _X ) como materiales qubit superconductores. Sin embargo, óxido de aluminio amorfo, que se utiliza a menudo como capa aislante, es una preocupación como fuente de ruido, y era fundamental estudiar materiales que pudieran solucionar este problema.

Como alternativa al aluminio y al óxido de aluminio amorfo con una temperatura de transición superconductora T _C de 1 K (-272 ° C), nitruro de niobio (NbN) cultivado epitaxialmente con un T _C de 16 K (-257 ° C), NICT ha estado desarrollando qubits superconductores utilizando uniones de nitruro NbN / AlN / NbN, centrándose en el nitruro de aluminio (AlN) como capa aislante.

Para realizar una unión Josephson NbN / AlN / NbN (unión epitaxial) en la que la orientación del cristal se alinea hasta el electrodo superior, fue necesario utilizar un sustrato de óxido de magnesio (MgO) cuyas constantes de red cristalina son relativamente cercanas a las del NbN. Sin embargo, El MgO tiene una gran pérdida dieléctrica, y el tiempo de coherencia del bit cuántico superconductor utilizando la unión NbN / AlN / NbN en

Logros

NICT ha logrado realizar uniones epitaxiales Josephson de NbN / AlN / NbN utilizando nitruro de titanio (TiN) como capa amortiguadora sobre un sustrato de silicio (Si) con una pérdida dieléctrica menor. Esta vez, utilizando esta tecnología de fabricación de uniones, diseñamos, fabricado y evaluó un qubit superconductor (ver Figura 1) que usa NbN como material de electrodo y AlN como capa aislante de la unión de Josephson.

Como se muestra esquemáticamente en la Figura 1 (a), el circuito cuántico se fabrica sobre un sustrato de silicio para que la cavidad de microondas y el qubit puedan acoplarse e interactuar entre sí como se muestra en la Figura 1 (b). De la medición de transmisión de las características de microondas del resonador débilmente acoplado al qubit bajo una pequeña fluctuación térmica a la temperatura extremadamente baja de 10 mK, logramos un tiempo de relajación energética T ₁ ) de 18 microsegundos y un tiempo de relajación de fase ( T ₂ ) de 23 microsegundos. Los valores medios para 100 mediciones son T ₁ =16 microsegundos y T ₂ =22 microsegundos. Esta es una mejora de aproximadamente 32 veces para T ₁ y unas 44 veces para T ₂ en comparación con el caso de qubits superconductores en sustratos de MgO.

Para este resultado, no usamos aluminio convencional y óxido de aluminio para la unión Josephson, que es el corazón de los qubits superconductores. Hemos logrado desarrollar un qubit superconductor de nitruro que tiene una alta temperatura crítica superconductora. T _C y excelente cristalinidad debido al crecimiento epitaxial. Estos dos puntos tienen un gran significado. En particular, Es la primera vez que alguien en el mundo ha logrado observar tiempos de coherencia en las decenas de microsegundos de los qubits superconductores de nitruro al reducir la pérdida dieléctrica al hacerlos crecer epitaxialmente en un sustrato de Si. El qubit superconductor de este nitruro se encuentra todavía en las primeras etapas de desarrollo, y creemos que es posible mejorar aún más el tiempo de coherencia optimizando el proceso de diseño y fabricación del qubit.

Usando esta nueva plataforma de material que puede reemplazar al aluminio convencional, Aceleraremos la investigación y el desarrollo del procesamiento de información cuántica, lo que contribuirá a la realización de un procesamiento de información que ahorre más energía y la realización de los nodos cuánticos necesarios para la construcción de redes cuánticas seguras.

Prospectos

Planeamos trabajar en la optimización de la estructura del circuito y el proceso de fabricación con el objetivo de extender aún más el tiempo de coherencia y mejorar la uniformidad de las características del dispositivo en previsión de una futura integración a gran escala. De este modo, Nuestro objetivo es construir una nueva plataforma para hardware cuántico que supere el rendimiento de los qubits convencionales basados ​​en aluminio.