美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家们已经证明，一种结构更适合大规模生产的量子比特可以与目前主导该领域的量子比特相媲美。通过一系列的数学分析，科学家们为更简单的量子比特制造提供了一个路线图，使这些量子计算机构建块的制造变得强大而可靠。
这项研究是作为量子优势协同设计中心(C2QA)的一部分进行的，这是一个由布鲁克海文实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心，它建立在多年的科学合作基础上，专注于提高可扩展量子计算机的量子比特性能。
最近，科学家们一直在努力增加量子位保留量子信息的时间，这种特性被称为相干性，与量子位结的质量密切相关。
他们特别关注超导量子比特，其结构包括由绝缘体隔开的两个超导层。量子比特的这一部分被称为SIS结，即超导体-绝缘体-超导体。但是，可靠地制造这种三明治状的结并不容易，尤其是在大规模生产量子计算机所需的精度下。
“制造SIS连接确实是一门艺术，”查尔斯·布莱克说，他是发表在《物理评论A》上的论文的合著者，也是布鲁克海文实验室美国能源部科学办公室用户设施功能纳米材料中心(CFN)的主任。
自2020年C2QA成立以来，布莱克和CFN的高级科学家、该论文的第一作者刘明钊一直是C2QA的成员。虽然他们一直在帮助量子科学家了解量子比特的材料科学，以提高它们的相干性，但他们也对这种量子比特构建艺术的可扩展性及其与制造大规模量子计算机的不可避免的需求的兼容性感到好奇。
因此，科学家们将注意力转向了超导结的量子比特结构，超导结由两层超导线连接而成，而不是中间绝缘层。这种建筑被称为收缩结，它是平的，而不是像三明治一样堆叠。重要的是，制造收缩结的工艺与半导体制造设备中的标准方法兼容。
“在我们的工作中，我们调查了这种建筑变化的影响，”Black说。“我们的目标是了解切换到收缩连接的性能权衡。”
克服增加的电流和线性
当连接两个超导体的连接处只传输一点点电流时，最流行的超导量子比特结构工作得最好。虽然SIS夹层中的绝缘体几乎阻止了所有的电流传输，但它足够薄，可以通过一种称为量子隧道的机制允许少量电流传输。
“SIS架构是当今超导量子比特的理想选择，尽管制造起来很棘手，”布莱克说。“但用收缩装置取代SIS有点违反直觉，因为收缩装置本质上能传导大量电流。”
通过他们的分析，研究人员表明，有可能将通过收缩结的电流减少到超导量子位的适当水平。然而，该方法需要较少的传统超导金属。
刘解释说:“如果我们使用铝、钽或铌，收缩线就必须非常薄。”“其他不导电的超导体将让我们在实际尺寸上制造收缩结。”
然而，缩窄连接的行为与SIS连接不同。因此，科学家们还调查了进行这种架构更改的后果。
为了工作，超导量子比特需要一些非线性，这限制了量子比特只能在两个能级之间运行。超导体不会自然地表现出非线性行为——是量子比特结引入了这一关键特性。
超导收缩结本质上比可靠的SIS结更线性，这意味着它们不太适合量子比特架构。然而，科学家们发现，通过选择超导材料和适当设计结的大小和形状，可以调节收缩结的非线性。
“我们对这项工作感到兴奋，因为它为材料科学家指明了基于设备要求的特定目标，”刘解释说。例如，科学家们发现，对于工作在5到10千兆赫之间的量子比特，这是当今电子产品的典型特征，需要在材料的导电能力(由其电阻决定)和结的非线性之间进行特定的权衡。
布莱克说:“某些材料特性的组合对于工作在5千兆赫兹的量子比特来说是不可行的。”但是，如果材料符合布鲁克海文科学家概述的标准，具有收缩结的量子位元可以与具有SIS结的量子位元类似。
Liu和Black目前正在与他们的C2QA同事合作，探索能够满足他们新论文中概述的规格的材料。超导过渡金属硅化物尤其引起了他们的注意，因为这些材料已经用于半导体制造。
“在这项工作中，我们证明了减轻收缩连接的相关特征是可能的，”刘说。“所以，现在我们可以开始利用更简单的量子比特制造过程的好处。”
这项工作体现了C2QA的基本协同设计原则，刘和布莱克探索了一种量子比特架构，可以满足量子计算的需求，并与当前的电子制造能力保持一致。
布莱克说:“这些类型的跨学科合作将继续使我们更接近实现可扩展的量子计算机。”“几乎很难相信人类已经获得了我们今天拥有的量子计算机。我们很高兴能在帮助C2QA实现其目标方面发挥作用。”
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希望本篇文章《多样化的量子比特架构简化了量子计算机构建块的生产》能对你有所帮助！
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