Durante años, se consideró que el niobio tenía un rendimiento inferior al de los qubits superconductores. Ahora, los científicos apoyados por Q-NEXT han encontrado una manera de diseñar un qubit basado en niobio de alto rendimiento y aprovechar las cualidades superiores del niobio.
Cuando se trata de tecnología cuántica, el niobio está regresando.
Durante los últimos 15 años, el niobio ha estado en el banquillo después de experimentar algunos turnos al bate mediocres como material central de qubit.
Los Qubits son los componentes fundamentales de los dispositivos cuánticos. Un tipo de qubit se basa en la superconductividad para procesar información.
Considerado por sus cualidades superiores como superconductor, el niobio siempre ha sido un candidato prometedor para las tecnologías cuánticas. Sin embargo, los científicos encontraron difícil diseñar el niobio como componente central del qubit, por lo que fue relegado a la segunda fila del Equipo Superconductor Qubit.
Ahora, un grupo liderado por David Schuster de la Universidad de Stanford ha demostrado una forma de crear qubits basados en niobio que rivalizan con la tecnología más avanzada de su clase.
"Hemos demostrado que el niobio vuelve a ser relevante, ampliando las posibilidades de lo que podemos hacer con los qubits", afirmó Alexander Anferov, de la división de Ciencias Físicas de la Universidad de Chicago, uno de los principales científicos del resultado.
El trabajo del equipo está publicado en Physical Review Applied. .
Aprovechando las características destacadas del niobio, los científicos podrán ampliar las capacidades de las computadoras, redes y sensores cuánticos. Estas tecnologías cuánticas se basan en la física cuántica para procesar información de maneras que superan a sus contrapartes tradicionales y se espera que mejoren áreas tan variadas como la medicina, las finanzas y las comunicaciones.
Cuando se trata de qubits superconductores, el aluminio lleva la delantera. Los qubits superconductores basados en aluminio pueden almacenar información durante un tiempo relativamente largo antes de que los datos se desintegren inevitablemente. Estos tiempos de coherencia más largos significan más tiempo para procesar la información.
Los tiempos de coherencia más largos para un qubit superconductor basado en aluminio son unas centésimas de segundo. Por el contrario, en los últimos años, los mejores qubits basados en niobio produjeron tiempos de coherencia que son 100 veces más cortos:unas pocas centenas de milmillonésimas de segundo.
A pesar de la corta vida útil del qubit, el niobio seguía siendo atractivo. Un qubit basado en niobio puede funcionar a temperaturas más altas que su homólogo de aluminio, por lo que requeriría menos refrigeración. También puede operar en un rango de frecuencia ocho veces mayor y un enorme rango de campo magnético 18.000 veces más amplio en comparación con los qubits basados en aluminio, ampliando el menú de usos de la familia de qubits superconductores.
En un aspecto, no hubo competencia entre los dos materiales:el rango operativo del niobio superó al del aluminio. Pero durante años, el corto tiempo de coherencia hizo que el qubit basado en niobio no fuera viable.
"En realidad, nadie creó tantos qubits a partir de uniones de niobio porque estaban limitados por su coherencia", dijo Anferov. "Pero nuestro grupo quería crear un qubit que pudiera funcionar a temperaturas más altas y en un rango de frecuencia mayor:1 K y 100 gigahercios. Y para ambas propiedades, el aluminio no es suficiente. Necesitábamos algo más".
Entonces, el equipo echó otro vistazo al niobio.
Específicamente, observaron la unión de niobio Josephson. La unión Josephson es el corazón de procesamiento de información del qubit superconductor.
En el procesamiento de información clásico, los datos vienen en bits que son 0 o 1. En el procesamiento de información cuántica, un qubit es una mezcla de 0 y 1. La información del qubit superconductor "vive" como una mezcla de 0 y 1 dentro de la unión. Cuanto más tiempo pueda la unión mantener la información en ese estado mixto, mejor será la unión y mejor el qubit.
La unión Josephson está estructurada como un sándwich, que consiste en una capa de material no conductor comprimido entre dos capas de metal superconductor. Un conductor es un material que proporciona un fácil paso a la corriente eléctrica. Un superconductor lo eleva un poco más:transporta corriente eléctrica con resistencia cero. La energía electromagnética fluye entre las capas externas de la unión en el estado cuántico mixto.
La típica y confiable unión Josephson de aluminio está hecha de dos capas de aluminio y una capa intermedia de óxido de aluminio. Una unión de niobio típica está formada por dos capas de niobio y una capa intermedia de óxido de niobio.
El grupo de Schuster descubrió que la capa de óxido de niobio de la unión minaba la energía necesaria para sostener los estados cuánticos. También identificaron la arquitectura de soporte de las uniones de niobio como una gran fuente de pérdida de energía, lo que provoca que el estado cuántico del qubit se apague.
El avance del equipo implicó tanto una nueva disposición de unión como una nueva técnica de fabricación.
El nuevo diseño recurrió a un amigo familiar:el aluminio. El diseño eliminó el óxido de niobio, que absorbe energía. Y en lugar de dos materiales distintos, utilizó tres. El resultado fue una unión tricapa de baja pérdida:niobio, aluminio, óxido de aluminio, aluminio, niobio.
"Aplicamos este enfoque de lo mejor de ambos mundos", dijo Anferov. "La fina capa de aluminio puede heredar las propiedades superconductoras del niobio cercano. De esta manera, podemos utilizar las propiedades químicas probadas del aluminio y seguir conservando las propiedades superconductoras del niobio."
La técnica de fabricación del grupo implicó retirar los andamios que sostenían la unión de niobio en esquemas anteriores. Encontraron una manera de mantener la estructura de la unión y al mismo tiempo eliminar el material extraño que provocaba pérdidas y obstaculizaba la coherencia en diseños anteriores.
"Resulta que simplemente deshacerse de la basura ayudó", dijo Anferov.
Tras incorporar su nueva unión en qubits superconductores, el grupo Schuster logró un tiempo de coherencia de 62 millonésimas de segundo, 150 veces más que sus predecesores de niobio de mejor rendimiento. Los qubits también exhibieron un factor de calidad (un índice de qué tan bien un qubit almacena energía) de 2,57 x 10 5 , una mejora 100 veces superior a los qubits anteriores basados en niobio y competitivo con los factores de calidad de los qubits basados en aluminio.
"Hemos creado esta unión que todavía tiene las buenas propiedades del niobio y hemos mejorado las propiedades de pérdida de la unión", dijo Anferov. "Podemos superar directamente a cualquier qubit de aluminio porque el aluminio es un material inferior en muchos sentidos. Ahora tengo un qubit que no muere a temperaturas más altas, lo cual es la gran ventaja".
Es probable que los resultados realcen el lugar del niobio en la gama de materiales qubit superconductores.
"Esta fue una primera incursión prometedora, ya que resucitó las uniones de niobio", dijo Schuster. "Con el amplio alcance operativo de los qubits basados en niobio, abrimos un conjunto completamente nuevo de capacidades para futuras tecnologías cuánticas".
Más información: Alexander Anferov et al, Coherencia mejorada en qubits de unión de tres capas de niobio definidos ópticamente, Revisión física aplicada (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.024047. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.05883
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Argonne
