氧化钽(TaO x)用x射线光电子能谱进行表征。来源:布鲁克海文国家实验室

无论是烤蛋糕、盖房子，还是开发量子设备，最终产品的质量在很大程度上取决于它的成分或基础材料。超导量子比特是量子计算机的基础，致力于提高超导量子比特性能的研究人员一直在使用不同的基础材料进行实验，以增加量子比特的相干寿命。

相干时间是衡量量子位保留量子信息的时间，因此是衡量性能的主要指标。最近，科学家们发现，在超导量子比特中使用钽可以使它们的性能更好，但直到现在，还没有人能够确定原因。

来自功能纳米材料中心(CFN)、国家同步加速器光源II (NSLS-II)、量子优势协同设计中心(C2QA)和普林斯顿大学的科学家们通过解码钽的化学特征，研究了这些量子比特表现更好的根本原因。

这项工作的结果最近发表在《高级科学》杂志上，将为未来设计更好的量子比特提供关键知识。CFN和NSLS-II是美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学用户设施办公室。C2QA是布鲁克海文领导的国家量子信息科学研究中心，普林斯顿大学是其重要合作伙伴。

寻找合适的食材

钽是一种独特而用途广泛的金属。它密度大，坚硬，而且很容易处理。钽还具有高熔点和耐腐蚀，使其在许多商业应用中很有用。此外，钽是超导体，这意味着当冷却到足够低的温度时，它没有电阻，因此可以在没有任何能量损失的情况下携带电流。

基于钽的超导量子比特已经证明了超过半毫秒的超长寿命。这比目前部署在大规模量子处理器中的铌和铝制成的量子比特的寿命长五倍。

这些特性使钽成为构建更好量子比特的绝佳候选材料。然而，改进超导量子计算机的目标一直受到阻碍，因为人们对限制量子比特寿命的因素缺乏了解，这一过程被称为退相干。一般认为噪声和微观来源的介电损耗有贡献;然而，科学家们并不确定这是为什么，又是如何发生的。

普林斯顿大学电子与计算机工程副教授、C2QA材料推进负责人娜塔莉·德莱昂解释说:“论文中的工作是两项平行研究中的一项，旨在解决量子比特制造中的重大挑战。”“没有人提出一个微观的、原子的损失模型来解释所有观察到的行为，然后能够证明他们的模型限制了特定的设备。这需要精确和定量的测量技术，以及复杂的数据分析。”

令人惊讶的结果

为了更好地了解量子比特退相干的来源，普林斯顿大学和CFN的科学家们在蓝宝石衬底上生长并化学处理了钽薄膜。然后，他们将这些样品带到NSLS-II的光谱软光束线(SST-1和SST-2)，使用x射线光电子能谱(XPS)研究表面形成的氧化钽。XPS利用x射线将电子踢出样品，并提供有关样品表面附近原子的化学性质和电子状态的线索。

科学家们假设，氧化钽层的厚度和化学性质在决定量子比特相干性方面发挥了作用，因为与量子比特中通常使用的铌相比，钽的氧化层更薄。

“我们在光束线上测量了这些材料，以便更好地了解发生了什么，”安德鲁·沃尔特解释说，他是NSLS-II软x射线散射和光谱学项目的首席光束线科学家。“有一种假设认为氧化钽层相当均匀，但我们的测量表明它根本不均匀。当你发现一个意想不到的答案时，总是更有趣，因为那是你学到东西的时候。”

研究小组在钽表面发现了几种不同种类的钽氧化物，这在创造更好的超导量子比特的道路上引发了一系列新的问题。是否可以修改这些接口以提高设备的整体性能，哪些修改将提供最大的好处?什么样的表面处理可以减少损失?

体现协同设计的精神

“看到不同背景的专家聚在一起解决一个共同的问题，这是令人鼓舞的，”CFN的材料科学家、C2QA材料次冲项目负责人刘明照说。“这是一项高度协作的努力，汇集了我们所有设施之间共享的设施、资源和专业知识。从材料科学的角度来看，创造这些样品并成为这项研究的组成部分是令人兴奋的。”

Walter说:“这样的工作说明了C2QA的建立方式。普林斯顿大学的电气工程师在设备管理、设计、数据分析和测试方面做出了很大贡献。CFN的材料组生长和处理样品和材料。我在NSLS-II的团队对这些材料及其电子特性进行了表征。”

让这些专业小组聚集在一起不仅使研究进展顺利、更有效，而且让科学家们在更大的背景下了解他们的工作。学生和博士后能够在几个不同的领域获得宝贵的经验，并以有意义的方式为这项研究做出贡献。

“有时候，当材料科学家与物理学家合作时，他们会交出材料，等待结果的反馈，”德莱昂说，“但我们的团队正在携手合作，开发新的方法，这些方法可以在未来的光束线上广泛使用。”

更多信息:Russell A. McLellan等人，钽氧化物在超导电路中的化学特征，Advanced Science(2023)。DOI: 10.1002 / advs.202300921

期刊信息:Advanced Science