Materiais para qubits supercondutores

Projeto e desempenho de qubit Transmon. (a) Imagem óptica em cor falsa de um qubit transmon representativo de nosso estudo. As regiões de nióbio incluem o pino central do ressonador de guia de onda coplanar (verde), as almofadas do capacitor transmon (roxo) e o plano de aterramento (cinza). A junção Josephson de alumínio é mostrada em branco. As áreas pretas indicam onde o metal foi removido e o substrato de safira está exposto. (b) Diagrama de circuito efetivo de um qubit transmon acoplado a um ressonador. Cada elemento de circuito é esquematicamente colorido como em (a). O ressonador é composto por um pino central acoplado ao terra por meio de um capacitor (Cr) e um indutor (Lr). EJ e C referem-se à energia Josephson e à capacitância do qubit, respectivamente. O qubit é capacitivamente acoplado ao pino central do ressonador (Cc) e ao aterramento (Cg). (c) Tempos de relaxação medidos (T1) para três rodadas de dispositivos fabricados com filmes sputtered (círculos roxos), HiPIMS otimizados (diamantes azuis) e HiPIMS normal (quadrados verdes) filmes de nióbio, para um total de nove dispositivos. As barras de erro indicam o desvio padrão em todas as medições T1 feitas em um determinado dispositivo. Crédito: Materiais de comunicação, 10.1038 / s43246-021-00174-7

A conexão entre as propriedades microscópicas do material e a coerência do qubit não é bem compreendida, apesar das evidências práticas de que as imperfeições do material apresentam um obstáculo às aplicações dos qubits supercondutores.

Em um novo relatório agora publicado na Communications Materials, Anjali Premkumar e uma equipe de cientistas em engenharia elétrica, nanomateriais, física e engenharia angstrom na Universidade de Princeton e em Ontário, Canadá, combinaram medições de tempos de relaxamento de qubit transmon (T1) com espectroscopia, ao lado microscopia de filmes de nióbio policristalino (Nb) usados durante o desenvolvimento de qubit. Com base em filmes depositados por meio de três técnicas diferentes, a equipe revelou correlações entre os tempos de relaxamento do qubit transmon e as propriedades intrínsecas do filme, incluindo o tamanho do grão para aumentar a difusão do oxigênio ao longo dos limites dos grãos, enquanto também aumenta a concentração de subóxidos perto da superfície. A taxa de resistência residual dos filmes de nióbio policristalino pode ser usada como uma figura de mérito para entender os tempos de vida dos qubit, e a nova abordagem traça um caminho para melhorias direcionadas aos materiais do desempenho dos qubit supercondutores.

Materiais qubit supercondutores

Neste trabalho, Premkumar et al. preencheu a lacuna entre o desempenho de qubit e materiais microscópicos, com base em uma investigação específica de materiais e dispositivos de qubits transmon. A tecnologia de qubit supercondutora é uma plataforma promissora para computação quântica tolerante a falhas. Os cientistas alcançaram melhorias significativas na coerência qubit por meio de novos designs de dispositivos e processos de fabricação aprimorados. No entanto, as melhorias de desempenho começaram a se estabilizar, uma vez que as fontes dominantes de decoerência não são bem compreendidas. Como resultado, pesquisas no assunto surgiram a fim de compreender métodos de limitação de mecanismos de perda em materiais qubit. Muitos estudos têm destacado o papel das superfícies e interfaces durante a decoerência de qubits transmon, incluindo mecanismos propostos que envolvem interações entre o qubit e objetos microscópicos. Para compreender os fenômenos, um escopo de pesquisa multidisciplinar é necessário para investigar as propriedades relevantes dos materiais e suas conexões com o desempenho dos qubit. Premkumar et al. usaram espectroscopia de raios-x espacialmente resolvida e microscopia para caracterizar as propriedades estruturais e eletrônicas de filmes finos de nióbio usados em dispositivos de qubit transmon. A equipe detalhou os mecanismos subjacentes às características microscópicas observadas para os tempos de resistência e relaxamento. Os resultados constituem uma etapa crítica para conectar propriedades precisas de materiais com modelos microscópicos para melhorar o desempenho do qubit.

Espectroscopia de fotoemissão de raios-X (PES) dos filmes de Nb com energia de fóton variável. (a) Espectro PES representativo dos níveis de núcleo Nb 3d3 / 2 e 3d5 / 2, medido no filme pulverizado para uma energia de fóton (hv) de 3330 eV (pontos pretos) e ajustado com cinco componentes. (b) Espectros medidos para todos os três tipos de filme em 3330 eV, normalizados para a intensidade do componente Nb2O5. Para cada filme, a intensidade medida dos picos Nb (c) e Nb2O5 (d) são plotados em várias energias de fótons. A soma dos sinais dos diferentes estados de oxidação em um determinado filme é normalizada para um, e as barras de erro mostram um erro de 1%, conforme estimado a partir do sinal-ruído dos dados medidos. A intensidade do Nb e do Nb2O5 aumenta e diminui com a energia, respectivamente, indicando a presença de uma camada superficial de óxido. Crédito: Materiais de comunicação, 10.1038 / s43246-021-00174-7

A equipe realizou a caracterização de qubit em qubits transmon que são normalmente amplamente usados para computação quântica e simulação quântica. O projeto do qubit transmon inclui uma junção Josephson com uma barreira de óxido de alumínio fina entre os fios supercondutores desviados por um grande capacitor para formar um qubit coerente. Os cientistas podem controlar os transmons em uma plataforma de eletrodinâmica quântica do circuito e medir a transmissão do monitoramento na frequência do ressonador, em função do estado do qubit. Durante o estudo, Premkumar et al. usou três métodos de deposição diferentes para depositar o filme de nióbio e fabricar os dispositivos transmon. Primeiro, eles depositaram os materiais em substratos de safira e usaram a deposição por pulverização catódica por corrente contínua para a fabricação de qubit supercondutores. Eles então usaram dois outros métodos, incluindo sputtering por magnetron de impulso de alta potência (HiPIMS) e otimizaram a técnica para melhorar o grau de ionização e desenvolver filmes mais densos. Os cientistas então caracterizaram a dependência do desempenho do qubit nas técnicas de deposição usando medições de relaxamento (T1). Os resultados mostraram uma clara diferença estatística entre as três técnicas de deposição, onde o nióbio pulverizado consistentemente apresentou o melhor desempenho, seguido pelo método HiPIMS otimizado e depois pelo método HiPIMS normal. A equipe usou uma variedade de métodos de caracterização para estudar os filmes e entender as possíveis origens microscópicas das diferenças de coerência.

Perfis de profundidade dos diferentes estados de oxidação do Nb. Os perfis para os filmes Nb sputtered (a), HiPIMS otimizado (b) e HiPIMS normal (c) foram reconstruídos a partir de dados PES usando um algoritmo de método de entropia máxima. Cada filme mostra uma camada superficial de alguns nm de Nb2O5, uma camada de transição com concentrações variáveis de diferentes subóxidos e o volume de metal Nb. Em particular, o filme normal HiPIMS mostra concentrações significativas de NbO e NbO2 na camada de transição e penetração mais profunda de NbOx no metal. Crédito: Materiais de comunicação, 10.1038 / s43246-021-00174-7

Espectros de espalhamento inelástico de raios-X ressonantes (RIXS) medidos para os filmes de Nb. a Medições RIXS na ressonância da borda K do oxigênio para uma energia incidente de 531 eV. A inserção mostra o espectro de absorção de O-K do filme pulverizado com uma linha tracejada vertical na ressonância. b Visão aproximada dos espectros RIXS após a subtração da linha elástica, com a densidade de fônons de estados (DOS) calculada para Nb2O5 a partir de 45. O fator de escala geral do DOS foi escolhido para ajudar na visualização. Foi relatado que o DOS surge tanto do nióbio quanto do oxigênio até cerca de 70 meV, e principalmente do oxigênio em energias mais altas, conforme representado pelas faixas azul e rosa, respectivamente. A intensidade mais baixa em energias mais altas para os filmes HiPIMS indica uma concentração maior de vacâncias de oxigênio. Crédito: Materiais de comunicação, 10.1038 / s43246-021-00174-7

Para entender os óxidos de superfície nos três tipos de filmes de Nb, Premkumar et al. usaram uma combinação de métodos, como espectroscopia de fotoemissão de raios-X suave e dura e espalhamento de raios-X inelástico ressonante. Todos os três tipos de filme mostraram pentóxido de nióbio (Nb2O5) como o constituinte principal. O filme sputtered continha a interface óxido-metal mais nítida, seguido pelo método otimizado HiPIMS e a técnica de deposição de filme normal HiPIMS. Os cientistas também usaram o espalhamento inelástico de raios-X ressonante para atingir a sensibilidade às excitações de baixa energia da estrutura eletrônica. Eles então correlacionaram as descobertas do óxido de superfície com a morfologia da superfície e o tamanho do grão usando microscopia eletrônica de transmissão, espectros de perda de energia de elétrons e medições de microscopia de força atômica para todos os três tipos de filmes Nb. A morfologia próxima à superfície do filme HiPIMS-normal era visivelmente diferente, onde a camada de óxido aderiu aos grãos inferiores. Os espectros de perda de energia elétrica forneceram uma perspectiva das propriedades químicas próximas à superfície do óxido-metal, enquanto a microscopia eletrônica de transmissão destacou os limites dos grãos de cada amostra e a microscopia de força atômica indicou mais informações sobre a morfologia e o tamanho dos grãos.

Imagem estrutural e química dos três tipos de filme Nb. Todas as medições são mostradas para filmes sputtered, HiPIMS otimizados e HiPIMS normais, respectivamente. Os painéis (a) – (c) mostram medições de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF-STEM) em seções transversais das superfícies dos filmes, revelando uma camada de óxido de cerca de 5 nm e variações no tamanho do grão. Os painéis (d) – (f) mostram espectros de espectroscopia de perda de energia de elétrons na borda O-K (EELS) medidos nos locais indicados nas imagens HAADF-STEM. Para os filmes sputtered e otimizados para HiPIMS, ambos os espectros de EELS dentro de um grão (esquerda) e os espectros tomados ao longo de um limite de grão (direita) mostram uma transição de um pico duplo (Nb2O5) para um único pico (subóxidos) para um pico insignificante (metal). No entanto, para o filme normal HiPIMS, os espectros de EELS ao longo do contorno do grão revelam picos de oxidação semelhantes à camada de óxido superficial, indicando que o oxigênio se difundiu no contorno do grão para formar óxidos. Os painéis (g) – (i) mostram imagens de campo claro TEM de seções transversais das superfícies dos filmes, onde as linhas pontilhadas brancas delineiam os limites dos grãos para os filmes pulverizados e otimizados para HiPIMS, e a seta amarela aponta para uma lacuna no limite de grão para o filme normal HiPIMS. A camada granulada e cinza claro acima da superfície é de platina, que protege a superfície durante a preparação da amostra. Os painéis (j) – (l) mostram imagens de microscopia de força atômica (AFM) medidas em uma área de 500 nm x 500 nm. É visualmente evidente que o tamanho do grão do filme pulverizado é o maior e o tamanho do grão normal do filme HiPIMS é o menor. Crédito: Materiais de comunicação, 10.1038 / s43246-021-00174-7

Panorama

Desta forma, Anjali Premkumar e colegas notaram uma correlação clara entre os tempos de relaxamento qubit (T1) e a caracterização de filmes de Nb (nióbio), incluindo a razão de resistência residual, tamanho de grão e concentração de subóxido de superfície. A equipe descobriu que o tempo total de relaxamento do qubit é a soma de vários mecanismos; onde os filmes Nb depositados por técnicas variadas dominaram os resultados. O estudo, portanto, estabeleceu uma ligação significativa entre o desempenho de qubits transmon supercondutores e as propriedades dos materiais durante a fabricação de qubit. O trabalho investigou as variações microscópicas entre filmes finos de Nb depositados usando três diferentes métodos de pulverização catódica, para entender especificamente o tamanho do grão, a integração e penetração do subóxido na interface óxido-metal e a concentração intragrain do subóxido próximo à superfície. Os resultados deste estudo formam uma base sólida para desenvolver modelos físicos que podem orientar o desenvolvimento de materiais para qubits supercondutores.

Publicado em 05/09/2021 18h39

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