鈮正在捲土重來。多年來，鈮一直被認為是超導量子位元中性能較差的一種。現在，在Q-NEXT 的支持下，科學家們找到了一種方法，可以設計出高性能的鈮基量子比特，從而利用鈮的優越品質。量子位元是量子設備的基本組成部分。其中一種量子位元依靠超導性來處理資訊。

在過去的15 年裡，鈮作為核心量子位元材料經歷了幾次平淡無奇的打擊之後，就一直坐冷板凳。

鈮因其作為超導體的卓越品質而備受推崇，一直是量子技術的理想候選材料。然而，科學家發現鈮難以作為核心量子位元元件進行工程設計，因此它被降級為超導量子位元團隊的第二根弦。

現在，由史丹佛大學大衛舒斯特（David Schuster）領導的研究小組展示了一種製造鈮基量子位元的方法，這種量子位元可與同類最先進的量子位元相媲美。

芝加哥大學物理科學系的亞歷山大-安費洛夫（Alexander Anferov）是這項成果的主要科學家之一。該團隊的研究成果發表在《物理應用評論》（Physical Review Applied）上，並得到了美國能源部阿貢國家實驗室領導的美國能源部國家量子資訊科學研究中心Q-NEXT 的部分支持。

透過利用鈮的突出特性，科學家將能夠擴展量子電腦、網路和感測器的功能。這些量子技術利用量子物理學來處理訊息，其處理方式超越了傳統技術，有望改善醫療、金融和通訊等各個領域。

約瑟夫森結是超導比特的訊息處理核心。圖為史丹佛大學的大衛舒斯特及其團隊設計的鈮約瑟夫森結。他們的結設計使鈮重新成為核心位元材料的可行選擇。圖片來源：Alexander Anferov/芝加哥大學普立茲克納米加工設施

鈮的優勢

說到超導量子比特，鋁一直獨佔鰲頭。鋁基超導量子位元可以在資料不可避免地瓦解之前儲存相對較長的資訊。這些較長的相干時間意味著有更多的時間來處理資訊。

鋁基超導量子位元的最長相干時間為數億分之一秒。相較之下，近年來，最好的鈮基量子位元的相干時間要短100 倍–幾千億分之一秒。

儘管量子比特的壽命很短，但鈮仍具有吸引力。鈮基量子位元能在比鋁基量子位元更高的溫度下工作，因此所需的冷卻更少。與鋁基量子位元相比，鈮基量子位元的工作頻率範圍是鋁基量子位元的八倍，工作磁場範圍是鋁基量子位元的18,000 倍，從而擴大了超導量子位元家族的應用範圍。

在一個方面，兩種材料之間沒有競爭：鈮的工作範圍超過了鋁。但多年來，由於相干時間較短，鈮基量子位元一直未能問世。

“沒有人真正用鈮結製造出那麼多的量子比特，因為它們受到相干性的限制，”安費洛夫說。但我們小組希望製造一種能在更高溫度和更大頻率範圍（1 K 和100 千兆赫）下工作的量子位元。而對於這兩種特性來說，鋁是不夠的。我們需要別的東西。”

於是，研究團隊再次對鈮進行了研究。具體來說，他們研究了鈮約瑟夫森結。約瑟夫森結是超導四位元訊息的處理核心。

在經典資訊處理中，資料以位元形式存在，要麼是0，要麼是1。在量子資訊處理中，量子位元是0 和1 的混合物。超導量子位元的訊息作為0 和1 的混合物”存活”在結內。超導結在這種混合狀態下維持訊息的時間越長，超導結和量子位元就越好。

約瑟夫森結的結構就像三明治，由擠在兩層超導金屬之間的一層不導電材料組成。導體是一種易於電流通過的材料。超導體則更勝一籌：它能以零電阻傳輸電流。在混合量子態下，電磁能在結點外層之間流動。

典型的、值得信賴的鋁約瑟夫森結由兩層鋁和中間一層氧化鋁組成。典型的鈮結由兩層鈮和中間一層氧化鈮組成。舒斯特研究團隊發現，連接處的氧化鈮層消耗了維持量子態所需的能量。他們也發現，鈮結的支撐結構是能量損失的主要來源，導致量子位元的量子態消失。

研究小組的突破涉及新的結點排列和新的製造技術。新的安排需要一個熟悉的朋友：鋁。這種設計摒棄了耗能的氧化鈮。它不再使用兩種不同的材料，而是使用了三種。這樣就形成了一個低損耗的三層結–鈮、鋁、氧化鋁、鋁、鈮。

「我們採用了這種兩全其美的方法，」安費洛夫說。”鋁薄層可以繼承附近鈮的超導特性。這樣，我們既能利用鋁的成熟化學特性，又能擁有鈮的超導特性”。

研究小組的製造技術包括移除先前方案中支撐鈮結的支架。他們找到了一種方法，既能保持結的結構，又能去除在先前的設計中妨礙相干性的會導致損耗的多餘材料。

安費洛夫說：”事實證明，丟掉垃圾是有幫助的。”

一個新的量子位元誕生了

舒斯特研究團隊將他們的新結點納入超導量子位元後，相干時間達到了6,200 萬分之一秒，比性能最好的鈮基量子位元長150 倍。這種量子比特的品質因數–量子比特儲存能量的指數–也達到了2.57 x105，比以前的鈮基​​量子比特提高了100 倍，與鋁基量子比特的品質因數相比也不遑多讓。

安費洛夫說：「我們製造的這種結仍然具有鈮的優良特性，而且我們改進了結的損耗特性。我們可以直接超越任何鋁製量子比特，因為鋁在許多方面都是一種劣質材料。我現在有了一種在更高溫度下不會死亡的量子比特，這是最大的亮點。”

這些成果很可能會提升鈮在超導量子位元材料中的地位。

舒斯特說：”這是很有希望的首次嘗試，因為鈮結復活了。鈮基量子位元具有廣泛的操作範圍，我們為未來的量子技術開闢了全新的能力」。

編譯來源：ScitechDaily