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Los científicos decodifican el perfil químico de los óxidos de superficie de tantalio para comprender la pérdida y mejorar el rendimiento de los cúbits

DOE/Laboratorio Nacional de Brookhaven

imagen: Caracterización del óxido de tantalio (TaOx) mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos Xver más

Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

UPTON, NY—Ya sea hornear un pastel, construir una casa o desarrollar un dispositivo cuántico, la calidad del producto final depende significativamente de sus ingredientes o materiales base. Los investigadores que trabajan para mejorar el rendimiento de los qubits superconductores, la base de las computadoras cuánticas, han estado experimentando con diferentes materiales base en un esfuerzo por aumentar la vida útil coherente de los qubits. El tiempo de coherencia es una medida de cuánto tiempo un qubit retiene información cuántica y, por lo tanto, una medida principal de rendimiento. Recientemente, los científicos descubrieron que el uso de tantalio en qubits superconductores los hace funcionar mejor, pero nadie ha podido determinar por qué, hasta ahora.

Científicos del Center for Functional Nanomaterials (CFN), National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), el Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA) y la Universidad de Princeton investigaron las razones fundamentales por las que estos qubits funcionan mejor al decodificar el perfil químico del tantalio. Los resultados de este trabajo, que se publicaron recientemente en la revista Advanced Science, proporcionarán conocimientos clave para diseñar cúbits aún mejores en el futuro. CFN y NSLS-II son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE. C2QA es un centro nacional de investigación de ciencias de la información cuántica dirigido por Brookhaven, del cual la Universidad de Princeton es un socio clave.

El tantalio es un metal único y versátil. Es denso, duro y fácil de trabajar. El tantalio también tiene un alto punto de fusión y es resistente a la corrosión, lo que lo hace útil en muchas aplicaciones comerciales. Además, el tantalio es un superconductor, lo que significa que no tiene resistencia eléctrica cuando se enfría a temperaturas lo suficientemente bajas y, en consecuencia, puede transportar corriente sin pérdida de energía.

Los qubits superconductores basados ​​en tantalio han demostrado una vida útil récord de más de medio milisegundo. Eso es cinco veces más que la vida útil de los qubits hechos con niobio y aluminio, que actualmente se implementan en procesadores cuánticos a gran escala.

Estas propiedades hacen del tantalio un excelente material candidato para construir mejores cúbits. Aún así, el objetivo de mejorar las computadoras cuánticas superconductoras se ha visto obstaculizado por la falta de comprensión de lo que limita la vida útil de los qubits, un proceso conocido como decoherencia. En general, se cree que contribuyen el ruido y las fuentes microscópicas de pérdida dieléctrica; sin embargo, los científicos no están seguros exactamente por qué y cómo.

"El trabajo de este documento es uno de los dos estudios paralelos que tienen como objetivo abordar un gran desafío en la fabricación de qubit", explicó Nathalie de Leon, profesora asociada de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Princeton y líder de empuje de materiales para C2QA. "Nadie ha propuesto un modelo atomístico microscópico para la pérdida que explique todo el comportamiento observado y luego pudo demostrar que su modelo limita un dispositivo en particular. Esto requiere técnicas de medición que sean precisas y cuantitativas, así como un análisis de datos sofisticado".

Para obtener una mejor imagen de la fuente de la decoherencia de los qubits, los científicos de Princeton y CFN cultivaron y procesaron químicamente películas de tantalio sobre sustratos de zafiro. Luego llevaron estas muestras a las líneas de luz de espectroscopia suave y tierna (SST-1 y SST-2) en NSLS-II para estudiar el óxido de tantalio que se formó en la superficie mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS). XPS utiliza rayos X para expulsar electrones de la muestra y proporciona pistas sobre las propiedades químicas y el estado electrónico de los átomos cerca de la superficie de la muestra. Los científicos plantearon la hipótesis de que el grosor y la naturaleza química de esta capa de óxido de tantalio jugaron un papel en la determinación de la coherencia de los qubits, ya que el tantalio tiene una capa de óxido más delgada en comparación con el niobio que se usa más típicamente en los qubits.

"Medimos estos materiales en las líneas de luz para comprender mejor lo que estaba sucediendo", explicó Andrew Walter, científico líder de líneas de luz en el programa de espectroscopia y dispersión de rayos X blandos de NSLS-II. "Se suponía que la capa de óxido de tantalio era bastante uniforme, pero nuestras mediciones mostraron que no es uniforme en absoluto. Siempre es más interesante cuando descubres una respuesta que no esperas, porque ahí es cuando aprendes algo".

El equipo encontró varios tipos diferentes de óxidos de tantalio en la superficie del tantalio, lo que ha generado un nuevo conjunto de preguntas en el camino hacia la creación de mejores qubits superconductores. ¿Se pueden modificar estas interfaces para mejorar el rendimiento general del dispositivo y qué modificaciones proporcionarían el mayor beneficio? ¿Qué tipos de tratamientos superficiales se pueden utilizar para minimizar las pérdidas?

"Fue inspirador ver a expertos de muy diferentes orígenes unirse para resolver un problema común", dijo Mingzhao Liu, científico de materiales en CFN y líder de subimpulso de materiales en C2QA. "Este fue un esfuerzo de gran colaboración, reuniendo las instalaciones, los recursos y la experiencia compartida entre todas nuestras instalaciones. Desde el punto de vista de la ciencia de los materiales, fue emocionante crear estas muestras y ser una parte integral de esta investigación".

Walter dijo: "Un trabajo como este habla de la forma en que se construyó C2QA. Los ingenieros eléctricos de la Universidad de Princeton contribuyeron mucho a la gestión, el diseño, el análisis de datos y las pruebas de dispositivos. El grupo de materiales de CFN creció y procesó muestras y materiales. Mi grupo en NSLS-II caracterizó estos materiales y sus propiedades electrónicas".

Tener estos grupos especializados reunidos no solo hizo que el estudio avanzara sin problemas y de manera más eficiente, sino que les dio a los científicos una comprensión de su trabajo en un contexto más amplio. Los estudiantes y posdoctorados pudieron obtener una experiencia invaluable en varias áreas diferentes y contribuir a esta investigación de manera significativa.

"A veces, cuando los científicos de materiales trabajan con físicos, entregan sus materiales y esperan a recibir noticias sobre los resultados", dijo de Leon, "pero nuestro equipo estaba trabajando mano a mano, desarrollando nuevos métodos en el camino que podrían ser ampliamente utilizado en la línea de luz en el futuro".

El Laboratorio Nacional de Brookhaven cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite science.energy.gov.

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ciencia avanzada

10.1002/advs.202300921

Estudio experimental

No aplica

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Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

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