Les scientifiques ont effectué une microscopie électronique à transmission et une spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) au Brookhaven Lab’s Center for Functional Nanomaterials et National Synchrotron Light Source II pour caractériser les propriétés des couches minces de niobium transformées en dispositifs qubit supraconducteurs à l’Université de Princeton. Une image au microscope électronique à transmission d’un de ces films est montrée en arrière-plan; superposés sur cette image sont des spectres XPS (lignes colorées représentant les concentrations relatives de niobium métal et divers oxydes de niobium en fonction de la profondeur du film) et une illustration d’un dispositif qubit. Grâce à ces études et à d’autres études de microscopie et de spectroscopie, l’équipe a identifié des défauts de chimie structurelle et de surface à l’échelle atomique qui peuvent entraîner une perte d’informations quantiques, un obstacle à la mise en place d’ordinateurs quantiques pratiques. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Les scientifiques de Brookhaven Lab et de Princeton s’associent pour identifier les sources de perte d’informations quantiques à l’échelle atomique.
Ingénieurs et scientifiques des matériaux qui étudient les bits d’information quantique supraconducteurs (qubits)—un l’informatique quantique plate-forme matérielle basée sur le flux sans friction d’électrons appariés – ont collecté des indices faisant allusion aux sources microscopiques de perte d’informations sur les qubits. Cette perte est l’un des obstacles majeurs à la réalisation d’ordinateurs quantiques capables d’enchaîner des millions de qubits pour exécuter des calculs exigeants. De tels systèmes tolérants aux pannes à grande échelle pourraient simuler des molécules complexes pour le développement de médicaments, accélérer la découverte de nouveaux matériaux pour l’énergie propre et effectuer d’autres tâches qui seraient impossibles ou prendraient un temps impraticable (des millions d’années) pour la plupart des supercalculateurs puissants.
Une compréhension de la nature des défauts à l’échelle atomique qui contribuent à la perte d’informations sur les qubits fait encore largement défaut. L’équipe a aidé à combler cet écart entre les propriétés des matériaux et les performances des qubits en utilisant les capacités de caractérisation de pointe du Center for Functional Nanomaterials (CFN) et de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), tous deux du département américain de l’Énergie ( DOE) Office of Science User Facilities at Brookhaven National Laboratory. Leurs résultats ont mis en évidence des défauts de structure et de chimie de surface dans les qubits de niobium supraconducteurs qui peuvent être à l’origine de pertes.
Anjali Premkumar
« Les qubits supraconducteurs sont une plate-forme d’informatique quantique prometteuse, car nous pouvons concevoir leurs propriétés et les fabriquer en utilisant les mêmes outils que ceux utilisés pour fabriquer des ordinateurs ordinaires », a déclaré Anjali Premkumar, étudiant diplômé de quatrième année au Houck Lab à université de Princeton et premier auteur du document Communications Materials décrivant la recherche. “Cependant, ils ont des temps de cohérence plus courts que les autres plates-formes.”
En d’autres termes, ils ne peuvent pas conserver l’information très longtemps avant de la perdre. Bien que les temps de cohérence se soient récemment améliorés, passant de microsecondes à millisecondes pour les qubits uniques, ces temps diminuent considérablement lorsque plusieurs qubits sont enchaînés.
“La cohérence des qubits est limitée par la qualité des supraconducteurs et des oxydes qui se développeront inévitablement sur eux lorsque le métal entrera en contact avec l’oxygène de l’air”, a poursuivi Premkumar. « Mais, en tant qu’ingénieurs qubit, nous n’avons pas caractérisé nos matériaux en profondeur. Ici, pour la première fois, nous avons collaboré avec des experts en matériaux qui peuvent examiner attentivement la structure et la chimie de nos matériaux avec des outils sophistiqués.
Cette collaboration était une « préquelle » au Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA), l’un des cinq centres nationaux des sciences de l’information quantique créés en 2020 à l’appui de la National Quantum Initiative. Dirigé par Brookhaven Lab, C2L’assurance qualité rassemble des ingénieurs matériels et logiciels, des physiciens, des scientifiques des matériaux, des théoriciens et d’autres experts des laboratoires nationaux, des universités et de l’industrie pour résoudre les problèmes de performances avec le matériel et les logiciels quantiques. Grâce à des efforts de co-conception de matériaux, d’appareils et de logiciels, le C2L’équipe d’assurance qualité cherche à comprendre et finalement contrôler les propriétés des matériaux pour prolonger les temps de cohérence, concevoir des dispositifs pour générer des qubits plus robustes, optimiser les algorithmes pour cibler des applications scientifiques spécifiques et développer des solutions de correction d’erreurs.
André Houck
Dans cette étude, l’équipe a fabriqué des films minces de niobium métallique grâce à trois techniques de pulvérisation différentes. Lors de la pulvérisation cathodique, des particules énergétiques sont tirées sur une cible contenant le matériau souhaité ; les atomes sont éjectés du matériau cible et atterrissent sur un substrat proche. Les membres du Houck Lab ont effectué une pulvérisation cathodique standard (courant continu), tandis qu’Angstrom Engineering a appliqué une nouvelle forme de pulvérisation cathodique dans laquelle ils se spécialisent (pulvérisation magnétron à impulsions haute puissance, ou HiPIMS), où la cible est frappée par de courtes rafales d’énergie haute tension. . Angstrom a réalisé deux variantes de HiPIMS : normale et avec une puissance optimisée et une géométrie cible-substrat.
De retour à Princeton, Premkumar a fabriqué des dispositifs qubit «transmon» à partir des trois films pulvérisés et les a placés dans un réfrigérateur à dilution. À l’intérieur de ce réfrigérateur, les températures peuvent chuter à près de zéro absolu (moins 459,67 degrés Fahrenheit), rendant les qubits supraconducteurs. Dans ces dispositifs, des paires d’électrons supraconducteurs traversent une barrière isolante d’oxyde d’aluminium (jonction Josephson) prise en sandwich entre des couches d’aluminium supraconductrices, qui sont couplées à des plots de condensateur en niobium sur saphir. L’état du qubit change au fur et à mesure que les paires d’électrons passent d’un côté de la barrière à l’autre. Qubits Transmon, co-inventés par le chercheur principal du Houck Lab et C2Le directeur de l’assurance qualité, Andrew Houck, sont un type de qubit supraconducteur de premier plan car ils sont très insensibles aux fluctuations des champs électriques et magnétiques dans l’environnement environnant ; de telles fluctuations peuvent entraîner une perte d’informations sur les qubits.
Pour chacun des trois types d’appareils, Premkumar a mesuré le temps de relaxation énergétique, une quantité liée à la robustesse de l’état du qubit.
“Le temps de relaxation énergétique correspond à la durée pendant laquelle le qubit reste dans le premier état excité et code les informations avant de se désintégrer à l’état fondamental et de perdre ses informations”, a expliqué Ignace Jarrige, ancien physicien à NSLS-II et maintenant chercheur quantique. chez Amazon, qui a dirigé l’équipe de Brookhaven pour cette étude.
Ignace Jarrige
Chaque appareil avait des temps de relaxation différents. Pour comprendre ces différences, l’équipe a effectué une microscopie et une spectroscopie au CFN et au NSLS-II.
Les scientifiques de la ligne de lumière NSLS-II ont déterminé les états d’oxydation du niobium par spectroscopie de photoémission aux rayons X avec des rayons X mous à la ligne de lumière In situ et Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) et des rayons X durs à la Spectroscopy Soft and Tender (SST -2) ligne de lumière. Grâce à ces études de spectroscopie, ils ont identifié divers sous-oxydes situés entre le métal et la couche d’oxyde de surface et contenant une plus petite quantité d’oxygène par rapport au niobium.
« Nous avions besoin de la haute résolution énergétique du NSLS-II pour distinguer les cinq états d’oxydation différents du niobium et les rayons X durs et mous, qui ont des niveaux d’énergie différents, pour profiler ces états en fonction de la profondeur », a expliqué Jarrige. “Les photoélectrons générés par les rayons X mous ne s’échappent que des premiers nanomètres de la surface, tandis que ceux générés par les rayons X durs peuvent s’échapper plus profondément dans les films.”
Sur la ligne de lumière SIX (Soft Inelastic X-ray Scattering) NSLS-II, l’équipe a identifié des points avec des atomes d’oxygène manquants grâce à la diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS). De telles lacunes d’oxygène sont des défauts, qui peuvent absorber l’énergie des qubits.
Au CFN, l’équipe a visualisé la morphologie du film en utilisant la microscopie électronique à transmission et la microscopie à force atomique, et a caractérisé la composition chimique locale près de la surface du film par spectroscopie de perte d’énergie électronique.
Sooyeon Hwang
“Les images au microscope ont montré des grains – des morceaux de cristaux individuels avec des atomes disposés dans la même orientation – de taille plus grande ou plus petite en fonction de la technique de pulvérisation”, a expliqué le co-auteur Sooyeon Hwang, scientifique du CFN Electron Microscopy Group. « Plus les grains sont petits, plus il y a de limites de grains ou d’interfaces où différentes orientations cristallines se rencontrent. Selon les spectres de perte d’énergie des électrons, un film avait non seulement des oxydes à la surface mais aussi dans le film lui-même, avec de l’oxygène diffusé dans les joints de grains.
Leurs résultats expérimentaux au CFN et au NSLS-II ont révélé des corrélations entre les temps de relaxation des qubits et le nombre et la largeur des joints de grains et la concentration de sous-oxydes près de la surface.
“Les limites des grains sont des défauts qui peuvent dissiper de l’énergie, donc en avoir trop peut affecter le transport des électrons et donc la capacité des qubits à effectuer des calculs”, a déclaré Premkumar. « La qualité de l’oxyde est un autre paramètre potentiellement important. Les sous-oxydes sont mauvais parce que les électrons ne sont pas appariés avec bonheur. »
À l’avenir, l’équipe poursuivra son partenariat pour comprendre la cohérence des qubits via C2AQ. Une direction de recherche est d’explorer si les temps de relaxation peuvent être améliorés en optimisant les processus de fabrication pour générer des films avec des tailles de grains plus grandes (c’est-à-dire, des joints de grains minimaux) et un seul état d’oxydation. Ils exploreront également d’autres supraconducteurs, dont le tantale, dont les oxydes de surface sont connus pour être chimiquement plus uniformes.
« À partir de cette étude, nous avons maintenant un schéma de la façon dont les scientifiques qui fabriquent des qubits et les scientifiques qui les caractérisent peuvent collaborer pour comprendre les mécanismes microscopiques limitant les performances des qubits », a déclaré Premkumar. “Nous espérons que d’autres groupes tireront parti de notre approche collaborative pour faire avancer le domaine des qubits supraconducteurs.”
Référence : « Canaux de relaxation microscopiques dans les matériaux pour qubits supraconducteurs » par Anjali Premkumar, Conan Weiland, Sooyeon Hwang, Berthold Jäck, Alexander PM Place, Iradwikanari Waluyo, Adrian Hunt, Valentina Bisogni, Jonathan Pelliciari, Andi Barbour, Mike S. Miller, Paola Russo, Fernando Camino, Kim Kisslinger, Xiao Tong, Mark S. Hybertsen, Andrew A. Houck et Ignace Jarrige, 1er juillet 2021, Supports de communication.
DOI : 10.1038 / s43246-021-00174-7
Ce travail a été soutenu par le DOE Office of Science, la National Science Foundation Graduate Research Fellowship, la Humboldt Foundation, la National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship, le Materials Research Science and Engineering Center et le Army Research Office. Cette recherche a utilisé les ressources des installations de microscopie électronique, de sondes proximales et de théorie et de calcul du CFN, un centre de recherche scientifique à l’échelle nanométrique du DOE. La ligne de lumière SST-2 du NSLS-II est exploitée par le National Institute of Standards and Technology.
