無論是烘烤蛋糕、建造建築，還是製造量子設備，成品的口徑都受到所使用的部件或基本材料的極大影響。為了提高構成量子計算機基石的超導量子比特的性能，科學家們一直在探測不同的基礎材料，旨在延長這些量子比特的相干壽命。

科學家們發現，超導金屬鉭可以顯著提高量子計算機中量子比特的性能。 通過使用X 射線光電子能譜，他們發現量子比特上的氧化鉭層是不均勻的，這促使進一步研究如何修改這些界面以提高整體設備性能。

相干時間是確定一個量子比特能夠保存量子數據的時間的指標，使其成為一個關鍵的性能指標。研究人員最近的一項啟示表明，在超導量子比特中使用鉭會增強其功能。然而，其根本原因仍然是未知的–直到現在。

來自功能納米材料中心（CFN）、國家同步輻射光源II（NSLS-II）、量子優勢聯合設計中心（C2QA）和普林斯頓大學的科學家們通過解碼鉭的化學特性調查了這些量子比特性能更好的根本原因。

這項工作的結果最近發表在《高級科學》雜誌上，將為未來設計更好的量子比特提供關鍵知識。CFN和NSLS-II是美國能源部（DOE）科學辦公室的用戶設施，位於DOE的布魯克海文國家實驗室。C2QA是布魯克海文領導的國家量子信息科學研究中心，普林斯頓大學是其主要合作夥伴。

尋找合適的成分

鉭是一種獨特的、多功能的金屬。它密度大，硬度高，而且容易加工。鉭還具有高熔點和抗腐蝕能力，使它在許多商業應用中都很有用。此外，鉭是一種超導體，這意味著它在冷卻到足夠低的溫度時沒有電阻，因此可以攜帶電流而沒有任何能量損失。

基於鉭的超導量子比特已經展示了超過半毫秒的創紀錄的長壽命。這比用鈮和鋁製造的量子比特的壽命長五倍，這些量子比特目前被部署在大規模量子處理器中。

使用X射線光電子能譜對氧化鉭（TaOx）進行表徵。資料來源：布魯克海文國家實驗室

這些特性使鉭成為構建更好的量子比特的優秀候選材料。儘管如此，改進超導量子計算機的目標仍因缺乏對限制量子比特壽命的理解而受阻，這一過程稱為退相干。通常認為介電損耗的噪聲和微觀來源有影響； 然而，科學家們不確定究竟為什麼以及如何。

普林斯頓大學電氣與計算機工程副教授、C2QA 材料推力負責人Nathalie de Leon 解釋說：“本文的工作是兩項平行研究之一，旨在解決量子比特製造中的重大挑戰。沒有人提出一個微觀的、原子的損失模型來解釋所有觀察到的行為，然後能夠證明他們的模型限制了特定的設備。 這需要精確和定量的測量技術，以及復雜的數據分析。”

令人驚訝的結果

為了更好地了解量子比特退相干的來源，普林斯頓大學和CFN 的科學家們在藍寶石襯底上生長和化學處理了鉭薄膜。然後，他們將這些樣品帶到NSLS-II 的光譜軟光束線（SST-1 和SST-2），使用X 射線光電子能譜(XPS) 研究在表面形成的氧化鉭。XPS 使用X 射線將電子踢出樣品，並提供有關樣品表面附近原子的化學性質和電子狀態的線索。科學家們假設，這種氧化鉭層的厚度和化學性質在決定量子位相干性方面發揮了作用，因為與量子位中更常用的鈮相比，鉭的氧化層更薄。

“我們在光束線上測量了這些材料，以便更好地了解正在發生的事情，”NSLS-II 軟X 射線散射和光譜計劃的首席光束線科學家Andrew Walter 解釋說。“人們假設氧化鉭層相當均勻，但我們的測量表明它根本不均勻。 當你發現一個你意想不到的答案時，它總是更有趣，因為那是你學到東西的時候。”

該團隊在鉭的表面發現了幾種不同種類的氧化鉭，這引發了一系列關於如何創造更好的超導量子比特的新問題。例如是否可以修改這些接口以提高整體設備性能，哪些修改會帶來最大的好處，什麼樣的表面處理可以用來減少損失，等等。