国家信息和通信技术研究所(NICT)
(a)微波腔和量子位的概念图(b)氮化物超导量子位电路的光学显微照片(c)氮化物超导量子位的电子显微照片(部分)和器件的截面图(d)外延生长的氮化物约瑟夫森结的透射电子显微照片
学分:国家信息通信技术研究院、国家先进工业科学技术研究院、名古屋大学 国家信息和通信技术研究所研究员(NICT，主席:德田秀之，博士
D
)，与国家高级工业科学技术研究所(AIST，主席:博士)的研究人员合作
石村和彦)和东海国立高等教育和研究系统名古屋大学(校长:博士
Matsuo Seiichi)在不使用铝作为导电材料的硅衬底上使用外延生长成功地开发了全氮化物超导量子比特
这个量子位使用超导转变温度为16k(-257℃)的氮化铌(NbN)作为电极材料，使用氮化铝(AlN)作为约瑟夫森结的绝缘层
它是一种新型量子位，由外延生长在硅衬底上的全氮化物材料制成，不含任何非晶氧化物，而非晶氧化物是主要的噪声源
通过在硅衬底上实现这种新材料量子位，获得了长的相干时间:16微秒的能量弛豫时间(T1)和22微秒的相位弛豫时间(T2)作为平均值
这大约是生长在传统氧化镁衬底上的氮化物超导量子比特的32倍T1和44倍T2
通过使用氮化铌作为超导体，有可能构建运行更稳定的超导量子电路，并有望作为量子计算的基本元素为量子计算机和量子节点的发展做出贡献
我们将继续致力于优化电路结构和制造工艺，并继续进行研发，以进一步延长相干时间，实现大规模集成
这些结果于2021年9月20日18:00(日本标准时间)发表在英国科学杂志《通信材料》上
背景和挑战 走向未来社会5
0，到目前为止支持信息社会的半导体电路的性能改进存在限制，而作为突破这种限制的新信息处理范例，对量子计算机的期望正在上升
然而，量子计算机运行不可或缺的量子叠加态很容易被各种干扰(噪声)破坏，有必要适当消除这些影响
由于超导量子位是固态元件，它们具有出色的设计灵活性、集成度和可扩展性，但它们很容易受到周围环境中各种干扰的影响
挑战在于如何延长相干时间，这是量子叠加态的寿命
世界各地的研究机构正在做出各种努力来克服这个问题，其中大多数使用铝(Al)和氧化铝膜(AlOx)作为超导量子比特材料
然而，经常用作绝缘层的无定形氧化铝是一个令人担忧的噪声源，研究能够解决这个问题的材料是至关重要的
作为超导转变温度TC为1k(-272℃)的铝和无定形氧化铝、TC为16k(-257℃)的外延生长氮化铌(NbN)的替代物，NICT一直在开发使用NbN / AlN / NbN全氮化物结的超导量子位，重点是氮化铝(AlN)作为绝缘层
为了实现晶体取向向上对准上电极的NbN / AlN / NbN约瑟夫森结(外延结)，需要使用其晶格常数相对接近NbN晶格常数的氧化镁(MgO)衬底
然而，MgO具有大的介电损耗，并且使用NbN / AlN / NbN结的超导量子比特的相干时间 (a)能量弛豫时间T1=18微秒(b)相位弛豫时间T2=23微秒
学分:国家信息通信技术研究院、国家先进工业科学技术研究院、名古屋大学 成就 NICT已经成功地在具有较小介电损耗的硅(Si)衬底上使用氮化钛(TiN)作为缓冲层实现了NbN / AlN / NbN外延约瑟夫森结
这一次，利用这种结制造技术，我们设计、制造并评估了一个超导量子位(见图1)，它使用NbN作为电极材料，AlN作为约瑟夫森结的绝缘层
如图1(a)所示，量子电路制作在硅衬底上，因此微波腔和量子位可以相互耦合和相互作用，如图1(b)所示
在10 mK的极低温度下，在小的热波动下，通过对弱耦合到量子比特的谐振器的微波特性的传输测量，我们获得了18微秒的能量弛豫时间(T1)和23微秒的相位弛豫时间(T2)
100次测量的平均值是T1=16微秒，T2= 22微秒
与MgO衬底上的超导量子比特的情况相比，这对于T1是大约32倍，对于T2是大约44倍
对于这个结果，我们没有使用传统的铝和氧化铝来制作约瑟夫森结，这是超导量子比特的核心
我们成功地开发了一种氮化物超导量子比特，由于外延生长，它具有高超导临界温度TC和优异的结晶度
这两点意义重大
特别是，这是世界上第一次有人通过在硅衬底上外延生长氮化物超导量子位来降低介电损耗，从而成功地从氮化物超导量子位观测到几十微秒的相干时间
这种氮化物的超导量子位仍处于早期开发阶段，我们相信通过优化量子位的设计和制造工艺，有可能进一步提高相干时间
利用这一可能取代传统铝的新材料平台，我们将加快量子信息处理的研发，这将有助于实现更节能的信息处理，并实现构建安全可靠的量子网络所需的量子节点
前景 我们计划致力于优化电路结构和制造工艺，目的是进一步延长相干时间，提高器件特性的均匀性，以应对未来的大规模集成
通过这种方式，我们旨在为量子硬件构建一个新的平台，超越传统铝基量子比特的性能
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