研究能量损失的来源以实现量子计算的进步

耶鲁大学和美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家开发了一种系统方法来了解构成量子比特的材料中能量是如何损失的。能量损失会抑制这些量子计算机构件的性能，因此确定能量损失的来源并根据需要调整材料可以帮助研究人员更接近设计出可能彻底改变多个科学领域的量子计算机。

耶鲁大学的科学家利用新方法设计出了一种可以存储超过一毫秒的量子信息的紧凑型设备。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上，是量子优势联合设计中心(C2QA)的一部分，该中心是由布鲁克海文实验室领导的国家量子信息科学研究中心。耶鲁大学是该中心的重要合作伙伴。

“我们必须克服的一个重大障碍是提高量子比特保留编码量子信息的能力。这就是所谓的相干性，”新论文的第一作者苏哈斯·甘贾姆解释说。甘贾姆在耶鲁大学读博士时进行了这项研究，现在是谷歌的研究科学家。

几年前，普林斯顿大学的研究人员(他们在C2QA成立时就加入了该公司)用一种名为钽的超导金属代替传统使用的铌或铝，设计出了相干时间达到0.3毫秒的创纪录量子比特。这表明量子比特的组成材料直接影响其性能，但其中的原因尚不清楚。

因此，参与C2QA的科学家开始研究钽暴露在空气中时其表面会形成的各种钽氧化物。他们通过在钽表面覆盖一层薄薄的镁来防止材料氧化，从而进一步提高了一致性。

“研究人员一直在开发具有更好相干时间的设备。但能量损失的来源有很多种，我们仍然无法区分哪些正在改善，”Ganjam说。“因此，我们开始区分不同类型的损失。”

在耶鲁大学物理学家、C2QA设备推进项目负责人罗伯特·舒尔科普夫(RobertSchoelkopf)的指导下，甘贾姆设计了一种名为三极带状线的设备。

这种新设备由三条超导薄膜条组成，这些薄膜条在基板上形成图案，与其他量子设备类似。这些条带以特殊方式排列，因此研究人员不仅可以量化能量损失，还可以通过三种不同模式(每对超导电极一种)测试该设备来确定能量损失的位置。

例如，研究人员可以通过观察电磁场被限制在设备表面或遍布整个基板的模式来区分表面损耗和体介电损耗。如果他们观察到电磁场被限制在设备表面的模式下损耗较大，则损耗主要由表面贡献引起。

“通过对三极带状线进行的电磁测试，我们可以观察到用钽和铝制成的设备以不同的方式损失不同数量的能量，”甘贾姆解释道。

具体而言，研究人员发现，使用钽薄膜而非铝薄膜可以降低表面损耗。使用一种称为退火的制造技术(包括加热蓝宝石基板并使其缓慢冷却)可以降低体介电损耗。

“我们想知道为什么不同的材料和制造技术会对这种损失产生影响，”Ganjam说。“因此，我们向功能纳米材料中心的合作者求助。”

透过显微镜镜头观察量子材料

功能纳米材料中心(CFN)是美国能源部科学办公室位于布鲁克海文实验室的用户设施，拥有最先进的电子显微镜设备。该设施的科学家使用透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜观察材料的微观结构，可以帮助Ganjam和Schoelkopf等其他研究人员更好地了解他们正在研究的材料。

“我们怀疑量子比特相干性受到材料中的污染物或缺陷造成的能量损失的限制，”CFN高级科学家MinghzaoLiu解释道。“因此，我们分析了CFN的量子材料，以寻找这些限制相干性的特性。”

CFN高级技术助理KimKisslinger提取了耶鲁大学科学家材料和设备的微观横截面，并在原子水平上进行了分析。

“我通过电子显微镜镜头来观察这类项目，”基斯林格说。“从结晶度到化学成分再到外延，这些都与晶体材料的取向有关，我可以准确地告诉我们的合作者他们的材料发生了什么，并帮助他们将这些特性与材料的性能联系起来。”

功能纳米材料中心高级技术助理KimKisslinger使用透射电子显微镜检查量子材料和器件的微观横截面。图片来源：KevinCoughlin/布鲁克海文国家实验室

刘说：“金帮助我们的合作者更好地理解他们的材料，但他也帮助他们通过一个迭代过程做出有意义的改进。”

基斯林格补充道：“CFN拥有尖端设备，可以支持量子设备所需的材料研究。但我们也拥有一些世界上最有资质的科学家和专家。这种优秀人才和优质设备的结合是CFN所独有的。”

合作努力带来改进的设备

耶鲁大学的研究人员对器件的电磁特性以及材料成分有着全面的了解，他们利用一种能量损耗模型，根据器件的组成材料和电路几何形状预测器件的相干性。借助这种预测模型，他们优化了电路几何形状，构建了一个相干时间大于1毫秒的量子器件。

“这项研究是C2QA任务中的一个重要里程碑。除了更长的相干时间之外，它还展示了通过量子设备和材料科学家的密切合作进一步增强相干性的道路，”C2QA副主任Kai-MeiFu表示。

从中心成立之初，Schoelkopf实验室的量子比特设计专家与CFN材料表征专家之间的合作就体现了C2QA“共同设计”材料和算法的原则，以实现性能超越传统计算机的量子计算机。

Ganjam表示：“像这样的合作对于找到最好的材料和最佳的制造工艺至关重要，这将有助于C2QA实现他们的目标。”

“多年来，看到这些量子比特设计项目的范围不断扩大、取得成功，我感到非常欣慰，”刘补充道。“没有合作，这样的科学进步就不可能实现。”