斯坦福大学研究团队改进了基于铌的量子比特 使其与领先的替代品相媲美

在过去的 15 年里，铌作为核心量子比特材料经历了几次平淡无奇的打击之后，就一直坐冷板凳。

铌因其作为超导体的卓越品质而备受推崇，一直是量子技术的理想候选材料。然而，科学家们发现铌难以作为核心量子比特元件进行工程设计，因此它被降级为超导量子比特团队的第二根弦。

现在，斯坦福大学大卫-舒斯特（David Schuster）领导的研究小组展示了一种制造铌基量子比特的方法，这种量子比特可与同类最先进的量子比特相媲美。

芝加哥大学物理科学部的亚历山大-安费洛夫（Alexander Anferov）是这项成果的主要科学家之一。该团队的研究成果发表在《物理应用评论》（Physical Review Applied）上，并得到了美国能源部阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心 Q-NEXT 的部分支持。

通过利用铌的突出特性，科学家们将能够扩展量子计算机、网络和传感器的功能。这些量子技术利用量子物理学来处理信息，其处理方式超越了传统技术，有望改善医疗、金融和通信等各个领域。

约瑟夫森结是超导比特的信息处理核心。图为斯坦福大学的大卫-舒斯特及其团队设计的铌约瑟夫森结。他们的结设计使铌重新成为核心比特材料的可行选择。图片来源：Alexander Anferov/芝加哥大学普利兹克纳米加工设施

铌的优势

说到超导量子比特，铝一直独占鳌头。铝基超导量子比特可以在数据不可避免地瓦解之前存储相对较长的信息。这些较长的相干时间意味着有更多的时间来处理信息。

铝基超导量子比特的最长相干时间为几亿分之一秒。相比之下，近年来，最好的铌基量子比特的相干时间要短 100 倍--几千亿分之一秒。

尽管量子比特的寿命很短，但铌仍具有吸引力。铌基量子比特能在比铝基量子比特更高的温度下工作，因此需要的冷却更少。与铝基量子比特相比，铌基量子比特的工作频率范围是铝基量子比特的八倍，工作磁场范围是铝基量子比特的 18000 倍，从而扩大了超导量子比特家族的应用范围。

在一个方面，两种材料之间没有竞争：铌的工作范围超过了铝。但多年来，由于相干时间较短，铌基量子比特一直未能问世。

"没有人真正用铌结制造出那么多的量子比特，因为它们受到相干性的限制，"安费洛夫说。但我们小组希望制造一种能在更高温度和更大频率范围（1 K 和 100 千兆赫）下工作的量子比特。而对于这两种特性来说，铝是不够的。我们需要别的东西。"

于是，研究小组再次对铌进行了研究。具体来说，他们研究了铌约瑟夫森结。约瑟夫森结是超导四比特的信息处理核心。

在经典信息处理中，数据以比特形式存在，要么是 0，要么是 1。在量子信息处理中，量子比特是 0 和 1 的混合物。超导量子比特的信息作为 0 和 1 的混合物"存活"在结内。超导结在这种混合状态下维持信息的时间越长，超导结和量子位就越好。

约瑟夫森结的结构就像三明治，由挤在两层超导金属之间的一层不导电材料组成。导体是一种易于电流通过的材料。超导体则更胜一筹：它能以零电阻传输电流。在混合量子态下，电磁能在结点外层之间流动。

典型的、值得信赖的铝约瑟夫森结由两层铝和中间一层氧化铝组成。典型的铌结由两层铌和中间一层氧化铌组成。舒斯特研究小组发现，连接处的氧化铌层消耗了维持量子态所需的能量。他们还发现，铌结的支撑结构是能量损失的主要来源，导致量子比特的量子态消失。

研究小组的突破涉及新的结点排列和新的制造技术。新的安排需要一个熟悉的朋友：铝。这种设计摒弃了耗能的氧化铌。它不再使用两种不同的材料，而是使用了三种。这样就形成了一个低损耗的三层结--铌、铝、氧化铝、铝、铌。

"我们采用了这种两全其美的方法，"安费洛夫说。"铝薄层可以继承附近铌的超导特性。这样，我们既能利用铝的成熟化学特性，又能拥有铌的超导特性"。

该研究小组的制造技术包括移除以前方案中支撑铌结的支架。他们找到了一种方法，既能保持结的结构，又能去除在以前的设计中妨碍相干性的会导致损耗的多余材料。

安费洛夫说："事实证明，扔掉垃圾是有帮助的。"

一个新的量子位诞生了

舒斯特研究小组将他们的新结点纳入超导量子比特后，相干时间达到了 6200 万分之一秒，比性能最好的铌基量子比特长 150 倍。这种量子比特的品质因数--量子比特存储能量的指数--也达到了 2.57 x105，比以前的铌基量子比特提高了 100 倍，与铝基量子比特的品质因数相比也不遑多让。

安费洛夫说："我们制造的这种结仍然具有铌的优良特性，而且我们改进了结的损耗特性。我们可以直接超越任何铝制量子比特，因为铝在很多方面都是一种劣质材料。我现在有了一种在更高温度下不会死亡的量子比特，这是最大的亮点。"

这些成果很可能会提升铌在超导量子比特材料中的地位。

舒斯特说："这是很有希望的首次尝试，因为铌结复活了。铌基量子比特具有广泛的操作范围，我们为未来的量子技术开辟了全新的能力"。

编译来源：ScitechDaily