新的SQMS研究推动量子位中杂质的发现 减少退相干发生

北京时间2月21日消息（余予）当涉及到开发量子计算机和利用量子信息时，科学家们需要对构成超导量子位的材料有一个全面的了解，量子位是保存信息的量子计算机的核心组件。美国能源部费米国家加速器实验室（Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory）的科学家们，以及Rigetti Computing和美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）等合作伙伴，已经使用一种新技术来识别物理量子位中可能限制量子信息寿命的杂质。

量子退相干是一种现象，其中源自各种因素的噪声会限制量子信息可以存储的寿命。这种现象对依赖量子信息进行计算的量子计算机的性能产生了不利影响。当科学家们成功地构建出受量子退相干影响较小的量子位时，量子计算机的力量将被释放，科学家们将拥有一种新的工具来执行经典计算机难以或不可能解决的计算。

量子计算机旨在解决需要大量内存的问题，通过使用一种叫做叠加的量子力学特性，这些计算机将能够分析如交通模式、天气预报、金融建模等等包含大量数据的系统。

Daniel Bafia检查位于费米实验室材料科学实验室的TOF-SIMS设备。
该设备的使用使SQMS 研究人员能够研究超导量子比特中百万分之几的杂质。（图源：SQMS 中心）

“在超导量子位中，我们一直想知道哪些潜在的材料特性会影响量子计算机的性能，”Rigetti Computing量子材料主管Josh Mutus 表示，“现在，SQMS的研究人员已经能够使用高精度分析设备检测Rigetti设备，以发现我们以前从未探索过的潜在缺陷系统。”

在包含超导量子位的材料中发现的杂质可归因于导致量子退相干，费米实验室领导的超导量子材料和系统中心的科学家在《应用物理快报》杂志上发表的一篇论文中强调了这一点。

通过TOF-SIMS分析提供的超导量子位样品中碳氢化合物杂质分布的3D表示。（图源：SQMS 中心）

通过在原子水平上对量子比特进行三维分析，科学家们发现了包括氧、氢、碳、氯、氟、钠、镁和钙等元素在内的杂质，。

为了发现这些杂质，科学家们使用一种称为TOF-SIMS或飞行时间二次离子质谱仪的设备，在一个量子位上快速发射离子，并对其进行切割。从量子位表面脱落的离子在仪器的传感器中进行分析，其中的组成元素可以以百万分之几的精度被识别出来。

“作为该中心的一部分，我们最初的目标是准确识别量子位样本中的杂质和缺陷。一旦我们获得了这些信息，我们就可以建立战略来去除这些杂质并提高性能，”本出版物的主要作者、SQMS中心的研究助理Akshay Murthy表示，“这是我们进入下一步需要的信息。”

TOF-SIMS仪器最初是为费米实验室的超导射频研究计划购买的，用于识别加速器腔中用于推动粒子加速器中的粒子的杂质。现在，TOF-SIMS设备首次被用于分析量子位。构成加速器腔的材料中的杂质也会影响性能，这使得该仪器适用于SQMS的科学家，他们也可以识别材料中的杂质，这些杂质会损害或帮助其他超导技术。

“执行这种表征所需的工具不仅专业且昂贵，而且还需要经验丰富的科学家来获取和分析数据。”NIST量子比特制造专家Anthony McFadden 表示，“在SQMS内部的合作利用了费米实验室和全国各地机构的专业设备和专业知识。”

TOF-SIMS从顶层识别原子，通过量子位向下蚀刻，生成构成量子位的元素和化合物的3D轮廓，并识别存在的杂质的类型和位置。

McFadden表示，“这项工作揭示了一些经常被忽视的退相干源，这些退相干源通常在设备处理过程中形成。”

量子位可以通过在硅上沉积一层超导铌来制造。科学家们将铌蒸发成气体，就像冬天水蒸气在冷金属上形成冰一样，铌凝固后在硅顶部形成一层薄膜。

Murthy称，用于整合铌的原始腔室，或铌原子在薄膜上的结构，可能会对量子位上的杂质产生影响。TOF-SIMS的分析可以从材料和方法的角度细化创建量子比特的过程。

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