(a) Diagrama conceitual da cavidade de micro-ondas e qubit (b) Micrografia óptica de circuito de qubit supercondutor de nitreto (c) Micrografia eletrônica de qubit supercondutor de nitreto (parte) e vista em corte transversal do dispositivo (d) Micrografia eletrônica de transmissão de nitreto epitaxialmente crescido Junção Josephson. Crédito:Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação, Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada, e Universidade de Nagoya
Pesquisadores do Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação (NICT, Presidente:Tokuda Hideyuki, Ph.D.), em colaboração com pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST, Presidente:Dr. Ishimura Kazuhiko) e o Sistema Nacional de Ensino Superior e Pesquisa Tokai da Universidade de Nagoya (Presidente:Dr. Matsuo Seiichi) conseguiram desenvolver um qubit supercondutor totalmente de nitreto usando crescimento epitaxial em um substrato de silício que não usa alumínio como o material condutor.
Este qubit usa nitreto de nióbio (NbN) com uma temperatura de transição supercondutora de 16 K (-257 ° C) como material do eletrodo, e nitreto de alumínio (AlN) para a camada isolante da junção Josephson. É um novo tipo de qubit feito de materiais totalmente de nitreto crescidos epitaxialmente em um substrato de silício e livre de quaisquer óxidos amorfos, que são uma importante fonte de ruído. Ao perceber este novo qubit material em um substrato de silício, longos tempos de coerência foram obtidos:um tempo de relaxamento de energia ( T 1 ) de 16 microssegundos e um tempo de relaxamento de fase ( T 2 ) de 22 microssegundos como os valores médios. Isso é cerca de 32 vezes T 1 e cerca de 44 vezes T 2 de qubits supercondutores de nitreto crescidos em um substrato de óxido de magnésio convencional.
Ao usar nitreto de nióbio como supercondutor, é possível construir um circuito quântico supercondutor que opere de forma mais estável, e espera-se contribuir para o desenvolvimento de computadores quânticos e nós quânticos como elementos básicos da computação quântica. Continuaremos a trabalhar na otimização da estrutura do circuito e do processo de fabricação, e continuaremos com pesquisa e desenvolvimento para estender ainda mais o tempo de coerência e realizar a integração em grande escala.
Esses resultados foram publicados na revista científica britânica Materiais de Comunicação em 20 de setembro de 2021 às 18:00 (horário padrão do Japão).
Antecedentes e desafios
Rumo ao futuro próximo Society 5.0, existem limites para a melhoria do desempenho dos circuitos semicondutores que apoiaram a sociedade da informação até agora, e as expectativas para os computadores quânticos estão aumentando como um novo paradigma de processamento de informações que rompe esses limites. Contudo, o estado de superposição quântica, que é indispensável para o funcionamento de um computador quântico, é facilmente destruído por vários distúrbios (ruído), e é necessário eliminar adequadamente esses efeitos.
Uma vez que qubits supercondutores são elementos de estado sólido, eles têm excelente flexibilidade de design, integração, e escalabilidade, mas eles são facilmente afetados por vários distúrbios em seu ambiente circundante. O desafio é como estender o tempo de coerência, que é o tempo de vida dos estados de superposição quântica. Vários esforços estão sendo feitos por institutos de pesquisa em todo o mundo para superar este problema, e a maioria deles usa alumínio (Al) e filme de óxido de alumínio (AlO x ) como materiais qubit supercondutores. Contudo, óxido de alumínio amorfo, que é frequentemente usado como uma camada isolante, é uma preocupação como fonte de ruído, e era fundamental estudar materiais que pudessem resolver esse problema.
Como uma alternativa ao alumínio e óxido de alumínio amorfo com uma temperatura de transição supercondutora T C de 1 K (-272 ° C), nitreto de nióbio (NbN) crescido epitaxialmente com um T C de 16 K (-257 ° C), A NICT tem desenvolvido qubits supercondutores usando junções NbN / AlN / NbN totalmente nitreto, com foco em nitreto de alumínio (AlN) como uma camada isolante.
A fim de realizar uma junção NbN / AlN / NbN Josephson (junção epitaxial) em que a orientação do cristal está alinhada com o eletrodo superior, foi necessário usar um substrato de óxido de magnésio (MgO) cujas constantes de rede cristalina são relativamente próximas às do NbN. Contudo, MgO tem uma grande perda dielétrica, e o tempo de coerência do bit quântico supercondutor usando a junção NbN / AlN / NbN em
(a) Tempo de relaxamento de energia T1 =18 microssegundos (b) Tempo de relaxamento de fase T2 =23 microssegundos. Crédito:Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação, Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada, e Universidade de Nagoya
Conquistas
O NICT teve sucesso na realização de junções Josephson epitaxiais NbN / AlN / NbN usando nitreto de titânio (TiN) como uma camada tampão em um substrato de silício (Si) com uma perda dielétrica menor. Desta vez, usando esta tecnologia de fabricação de junção, nós projetamos, fabricado, e avaliou um qubit supercondutor (veja a Figura 1) que usa NbN como o material do eletrodo e AlN como a camada isolante da junção Josephson.
Conforme mostrado esquematicamente na Figura 1 (a), o circuito quântico é fabricado em um substrato de silício para que a cavidade de microondas e o qubit possam ser acoplados e interagir um com o outro, conforme mostrado na Figura 1 (b). A partir da medição de transmissão das características de microondas do ressonador fracamente acoplado ao qubit sob pequena flutuação térmica na temperatura extremamente baixa de 10 mK, alcançamos um tempo de relaxamento de energia ( T 1 ) de 18 microssegundos e um tempo de relaxamento de fase ( T 2 ) de 23 microssegundos. Os valores médios para 100 medições são T 1 =16 microssegundos e T 2 =22 microssegundos. Esta é uma melhoria de cerca de 32 vezes para T 1 e cerca de 44 vezes para T 2 em comparação com o caso de qubits supercondutores em substratos de MgO.
Para este resultado, não usamos alumínio e óxido de alumínio convencionais para a junção Josephson, que é o coração dos qubits supercondutores. Conseguimos desenvolver um qubit supercondutor de nitreto que possui uma alta temperatura crítica supercondutora T C e excelente cristalinidade devido ao crescimento epitaxial. Esses dois pontos têm grande significado. Em particular, é a primeira vez que alguém no mundo conseguiu observar tempos de coerência na casa das dezenas de microssegundos de qubits supercondutores de nitreto, reduzindo a perda dielétrica por meio do crescimento epitaxial deles em um substrato de Si. O qubit supercondutor deste nitreto ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento, e acreditamos que é possível melhorar ainda mais o tempo de coerência, otimizando o processo de design e fabricação do qubit.
Usando esta nova plataforma de material que pode substituir o alumínio convencional, vamos acelerar a pesquisa e o desenvolvimento do processamento de informações quânticas, que irá contribuir para a realização de mais processamento de informações de economia de energia e a realização de nós quânticos necessários para a construção de redes quânticas seguras e protegidas.
Perspectivas
Planejamos trabalhar na otimização da estrutura do circuito e do processo de fabricação com o objetivo de estender ainda mais o tempo de coerência e melhorar a uniformidade das características do dispositivo em antecipação à futura integração em larga escala. Desta maneira, pretendemos construir uma nova plataforma para hardware quântico que supere o desempenho dos qubits convencionais à base de alumínio.
