无论是烘烤蛋糕、建造建筑，还是制造量子设备，成品的口径都受到所使用的部件或基本材料的极大影响。为了提高构成量子计算机基石的超导量子比特的性能，科学家们一直在探测不同的基础材料，旨在延长这些量子比特的相干寿命。

科学家们发现，超导金属钽可以显着提高量子计算机中量子比特的性能。 通过使用 X 射线光电子能谱，他们发现量子比特上的氧化钽层是不均匀的，这促使进一步研究如何修改这些界面以提高整体设备性能。

相干时间是确定一个量子比特能够保存量子数据的时间的指标，使其成为一个关键的性能指标。研究人员最近的一项启示表明，在超导量子比特中使用钽会增强其功能。然而，其根本原因仍然是未知的--直到现在。

来自功能纳米材料中心（CFN）、国家同步辐射光源II（NSLS-II）、量子优势联合设计中心（C2QA）和普林斯顿大学的科学家们通过解码钽的化学特性调查了这些量子比特性能更好的根本原因。

这项工作的结果最近发表在《高级科学》杂志上，将为未来设计更好的量子比特提供关键知识。CFN和NSLS-II是美国能源部（DOE）科学办公室的用户设施，位于DOE的布鲁克海文国家实验室。C2QA是布鲁克海文领导的国家量子信息科学研究中心，普林斯顿大学是其主要合作伙伴。

寻找合适的成分

钽是一种独特的、多功能的金属。它密度大，硬度高，而且容易加工。钽还具有高熔点和抗腐蚀能力，使它在许多商业应用中都很有用。此外，钽是一种超导体，这意味着它在冷却到足够低的温度时没有电阻，因此可以携带电流而没有任何能量损失。

基于钽的超导量子比特已经展示了超过半毫秒的创纪录的长寿命。这比用铌和铝制造的量子比特的寿命长五倍，这些量子比特目前被部署在大规模量子处理器中。

使用X射线光电子能谱对氧化钽（TaOx）进行表征。资料来源：布鲁克海文国家实验室

这些特性使钽成为构建更好的量子比特的优秀候选材料。 尽管如此，改进超导量子计算机的目标仍因缺乏对限制量子比特寿命的理解而受阻，这一过程称为退相干。 通常认为介电损耗的噪声和微观来源有影响； 然而，科学家们不确定究竟为什么以及如何。

普林斯顿大学电气与计算机工程副教授、C2QA 材料推力负责人 Nathalie de Leon 解释说：“本文的工作是两项平行研究之一，旨在解决量子比特制造中的重大挑战。没有人提出一个微观的、原子的损失模型来解释所有观察到的行为，然后能够证明他们的模型限制了特定的设备。 这需要精确和定量的测量技术，以及复杂的数据分析。”

令人惊讶的结果

为了更好地了解量子比特退相干的来源，普林斯顿大学和 CFN 的科学家们在蓝宝石衬底上生长和化学处理了钽薄膜。 然后，他们将这些样品带到 NSLS-II 的光谱软光束线（SST-1 和 SST-2），使用 X 射线光电子能谱 (XPS) 研究在表面形成的氧化钽。 XPS 使用 X 射线将电子踢出样品，并提供有关样品表面附近原子的化学性质和电子状态的线索。 科学家们假设，这种氧化钽层的厚度和化学性质在决定量子位相干性方面发挥了作用，因为与量子位中更常用的铌相比，钽的氧化层更薄。

“我们在光束线上测量了这些材料，以便更好地了解正在发生的事情，”NSLS-II 软 X 射线散射和光谱计划的首席光束线科学家 Andrew Walter 解释说。 “人们假设氧化钽层相当均匀，但我们的测量表明它根本不均匀。 当你发现一个你意想不到的答案时，它总是更有趣，因为那是你学到东西的时候。”

该团队在钽的表面发现了几种不同种类的氧化钽，这引发了一系列关于如何创造更好的超导量子比特的新问题。 例如是否可以修改这些接口以提高整体设备性能，哪些修改会带来最大的好处，什么样的表面处理可以用来减少损失，等等。