量子研究人员致力于开发具有三明治状“SIS”结 （a） 的超导量子比特，该超导量子比特由绝缘体 （AlO） 隔开的两个超导层 （Al） 组成X).但布鲁克海文实验室的一项新研究表明，具有收缩结 （b） 的量子比特的性能与具有 SIS 结的量子比特相当。收缩结是平放的，由两个超导层组成，由一根细超导线连接，可以更容易地进行大规模制造。图片来源：布鲁克海文国家实验室

美国能源部 （DOE） 布鲁克海文国家实验室的科学家们已经证明，一种架构更适合大规模生产的量子比特可以与目前在该领域占据主导地位的量子比特相媲美。通过一系列数学分析，科学家们为更简单的量子比特制造提供了路线图，从而能够稳健可靠地制造这些量子计算机构建块。

这项研究是作为 Quantum Advantage 协同设计中心 （C2QA） 的 Alpha S Capital，该中心是由 Brookhaven 实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心，它建立在多年的科学合作基础上，专注于提高可扩展量子计算机的量子比特性能。

最近，科学家们一直在努力增加量子比特保留量子信息的时间，这种特性被称为相干性，与量子比特结的质量密切相关。

他们特别关注超导量子比特，其架构包括两个由绝缘体隔开的超导层。量子比特的这一部分称为 SIS 结，即超导体-绝缘体-超导体。但是，可靠地制造这种三明治状结点并不容易，尤其是在大规模生产量子计算机所需的精度下。

“制作 SIS 连接确实是一门艺术，”发表在《物理评论 A》上的论文的合著者、布鲁克海文实验室美国能源部科学办公室用户设施功能纳米材料中心 （CFN） 主任查尔斯·布莱克 （Charles Black） 说。

Black 和 CFN 的高级科学家、该论文的主要作者 Mingzhao Liu 一直是 C 的成员2自 2020 年成立以来的 QA。虽然他们一直在帮助量子科学家了解量子比特的材料科学以提高其一致性，但他们也对这种量子比特构建技术的可扩展性及其与制造大规模量子计算机的必然需求的兼容性感到好奇。

因此，科学家们将注意力转向了具有超导结的量子比特架构，该超导结由两层组成，由一根细超导线连接，而不是中间绝缘层。这种架构被称为收缩连接处，是平放的，而不是像三明治一样堆叠。重要的是，制造收缩结的工艺与半导体制造设施中的标准方法兼容。

“在我们的工作中，我们调查了这种架构变化的影响，”Black 说。“我们的目标是了解改用收缩连接处的性能权衡。”

当连接两个超导体的结点仅传输少量电流时，最流行的超导量子比特架构效果最佳。尽管 SIS 三明治中的绝缘体几乎阻止了所有电流传输，但它足够薄，可以通过一种称为量子隧穿的机制允许少量电流传输。

“SIS 架构是当今超导量子比特的理想选择，尽管它的制造很棘手，”Black 说。“但是，用收缩代替 SIS 有点违反直觉，它本质上会传导大量电流。”

通过他们的分析，研究人员表明，可以将流经收缩结的电流减少到超导量子比特的适当水平。然而，该方法需要较少的传统超导金属。

“如果我们使用铝、钽或铌，收缩丝必须非常细，”Liu 解释说。“其他导电效果不佳的超导体将允许我们在实际尺寸上制造收缩结。”

但是，收缩交汇点的行为与其 SIS 对应项不同。因此，科学家们还调查了进行这种架构更改的后果。

为了工作，超导量子比特需要一些非线性，这限制了量子比特只能在两个能级之间运行。超导体不会自然地表现出非线性行为，而是量子比特结引入了这一关键特性。

超导收缩结本质上比久经考验的 SIS 结更线性，这意味着它们不太适合量子比特架构。然而，科学家们发现，可以通过选择超导材料以及适当设计结的大小和形状来调整收缩结的非线性。

“我们对这项工作感到兴奋，因为它根据设备要求为材料科学家指出了特定的目标，”Liu 解释说。例如，科学家们发现，对于工作频率在 5 到 10 GHz 之间的量子比特（这是当今电子产品的典型特征），需要在材料的载电能力（由其电阻决定）与结点的非线性之间进行特定的权衡。

“材料属性的某些组合对于在 5 GHz 下运行的量子比特来说是行不通的，”Black 说。但是，使用符合 Brookhaven 科学家概述的标准的材料，具有收缩结的量子比特可以像具有 SIS 结的量子比特一样工作。

Liu 和 Black 目前正在使用他们的 C2QA 同事探索可以满足他们新论文中概述的规格的材料。尤其是超导过渡金属硅化物，已经引起了他们的注意，因为这些材料已经用于半导体制造。

“在这项工作中，我们表明可以减轻收缩结的令人担忧的特性，”Liu 说。“所以，现在我们可以开始利用更简单的量子比特制造工艺的优势。”

这项工作体现了 C2QA 的基本协同设计原则，因为 Liu 和 Black 探索了一种可以满足量子计算需求并与当前电子制造能力保持一致的量子比特架构。

“这些类型的跨学科合作将继续使我们更接近实现可扩展的量子计算机，”Black 说。“几乎很难相信人类已经获得了我们今天拥有的量子计算机。我们很高兴能在帮助 C2QA 实现了它的目标。

更多信息：Mingzhao Liu 等人，超导体-收缩-超导体 transmon 量子比特的性能分析，物理评论 A （2024）。DOI：10.1103/PhysRevA.110.012427。在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2301.04276

期刊信息： Physical Review A ， arXiv