日焼けの魅力的な利点を理解する

科学者はタンタル表面酸化物の化学プロファイルを解読して損失を理解し、量子ビットのパフォーマンスを向上させます

DOE/ブルックヘブン国立研究所

画像: X 線光電子分光法を使用して特性評価される酸化タンタル (TaOx)もっと見る

クレジット: ブルックヘブン国立研究所

ニューヨーク州アプトン—ケーキを焼く場合でも、家を建てる場合でも、量子デバイスの開発の場合でも、最終製品の品質はその成分や基礎材料に大きく依存します。 量子コンピューターの基盤である超伝導量子ビットの性能向上に取り組んでいる研究者は、量子ビットのコヒーレント寿命を延ばすために、さまざまなベース材料を使用して実験を行っています。 コヒーレンス時間は、量子ビットが量子情報をどれだけ長く保持するかを示す尺度であり、したがってパフォーマンスの主要な尺度になります。 最近、科学者たちは超伝導量子ビットにタンタルを使用すると性能が向上することを発見しましたが、その理由は今まで誰も解明できませんでした。

機能性ナノマテリアルセンター (CFN)、国立シンクロトロン光源 II (NSLS-II)、量子アドバンテージ共同設計センター (C2QA)、およびプリンストン大学の科学者は、これらの量子ビットのパフォーマンスが向上する根本的な理由を、タンタルの化学プロファイル。 最近 Advanced Science 誌に発表されたこの研究の結果は、将来さらに優れた量子ビットを設計するための重要な知識を提供するでしょう。 CFN と NSLS-II は、米国エネルギー省 (DOE) のブルックヘブン国立研究所にある科学局ユーザー施設です。 C2QA はブルックヘブン主導の国立量子情報科学研究センターであり、プリンストン大学はその主要パートナーです。

タンタルはユニークで多用途な金属です。 密度が高く、硬く、加工が容易です。 タンタルは融点も高く、耐腐食性があるため、多くの商業用途に役立ちます。 さらに、タンタルは超伝導体です。つまり、十分に低い温度に冷却されると電気抵抗がなくなるため、エネルギーを損失することなく電流を流すことができます。

タンタルベースの超伝導量子ビットは、0.5 ミリ秒を超える記録的な寿命を実証しました。 これは、現在大規模な量子プロセッサに導入されているニオブやアルミニウムで作られた量子ビットの寿命の5倍です。

これらの特性により、タンタルはより優れた量子ビットを構築するための優れた候補材料となります。 それでも、超伝導量子コンピューターを改善するという目標は、何が量子ビットの寿命を制限しているのか、デコヒーレンスとして知られるプロセスに関する理解の欠如によって妨げられている。 一般に、ノイズと微視的な誘電損失の発生源が寄与すると考えられています。 しかし、科学者たちは正確な理由と方法については不明です。

「この論文の研究は、量子ビット製造における壮大な課題に取り組むことを目的とした 2 つの並行研究のうちの 1 つです」とプリンストン大学の電気工学およびコンピュータ工学の准教授であり、C2QA の材料推進リーダーであるナタリー・デ・レオンは説明しました。 「観察されたすべての挙動を説明し、そのモデルが特定のデバイスを制限することを示すことができる、損失の微視的で原子的なモデルを提案した人は誰もいません。これには、正確かつ定量的な測定技術と、高度なデータ分析が必要です。」

量子ビットのデコヒーレンスの原因をより良く理解するために、プリンストン大学とCFNの科学者らは、サファイア基板上にタンタル膜を成長させ、化学処理した。 次に、これらのサンプルを NSLS-II の分光ソフトビームラインとテンダービームライン (SST-1 および SST-2) に持ち込み、X 線光電子分光法 (XPS) を使用して表面に形成された酸化タンタルを研究しました。 XPS は、X 線を使用してサンプルから電子を追い出し、サンプル表面近くの原子の化学的特性と電子状態に関する手がかりを提供します。 科学者らは、量子ビットで一般的に使用されるニオブに比べてタンタルの酸化物層が薄いため、この酸化タンタル層の厚さと化学的性質が量子ビットのコヒーレンスを決定する役割を果たしていると仮説を立てた。

NSLS-IIの軟X線散乱・分光プログラムの主任ビームライン科学者であるアンドリュー・ウォルター氏は、「何が起こっているのかをよりよく理解するために、ビームラインでこれらの物質を測定しました」と説明した。 「酸化タンタル層はかなり均一であるという仮定がありましたが、私たちの測定ではまったく均一ではないことがわかりました。予想外の答えが見つかるときは常に興味深いものです。なぜなら、それは何かを学ぶときだからです。」

研究チームは、タンタルの表面で数種類のタンタル酸化物を発見しました。これにより、より優れた超伝導量子ビットの作成に向けた新たな疑問が生じました。 これらのインターフェイスを変更してデバイス全体のパフォーマンスを向上させることはできますか?また、どの変更が最も大きなメリットをもたらしますか? 損失を最小限に抑えるためにどのような種類の表面処理を使用できますか?

CFN の材料科学者であり、C2QA の材料サブスラストのリーダーである Mingzhao Liu 氏は、「まったく異なる背景を持つ専門家が共通の問題を解決するために集まっているのを見るのは刺激的でした」と述べました。 「これは、当社のすべての施設で共有される施設、リソース、専門知識をプールする高度な共同作業でした。材料科学の観点から、これらのサンプルを作成し、この研究に不可欠な部分を占めることができたのは非常に興味深いことでした。」

ウォルター氏は、「このような作業は、C2QA の構築方法を物語っています。プリンストン大学の電気技術者は、デバイス管理、設計、データ分析、テストに多大な貢献をしました。CFN の材料グループは、サンプルと材料を成長させ、処理しました。私のグループは、 NSLS-II では、これらの材料とその電子特性を特徴付けました。」

これらの専門グループが集まることで、研究がよりスムーズかつ効率的に進むだけでなく、科学者が自分たちの研究をより大きな文脈で理解できるようになりました。 学生とポスドクは、いくつかの異なる分野で貴重な経験を積み、有意義な方法でこの研究に貢献することができました。

「材料科学者が物理学者と協力するとき、材料を渡して結果の返事を待つこともあります」とデ・レオン氏は語った。今後はビームラインで広く利用されることになるでしょう。」

ブルックヘブン国立研究所は、米国エネルギー省科学局の支援を受けています。 科学局は、米国における物理科学の基礎研究の最大の支援者であり、現代の最も差し迫った課題のいくつかに対処するために取り組んでいます。 詳細については、science.energy.gov をご覧ください。

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先端科学

10.1002/advs.202300921

実験研究

適用できない

最先端の超電導回路におけるタンタル酸化物の化学プロファイル

2023 年 4 月 27 日

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