英國國家物理實驗室通過降低電荷雜訊實現量子計算電路的擴展

歐洲英國國家物理實驗室(NPL)、瑞典查爾姆斯理工大學微技術與納米科學系和法國理論物理和高級能源實驗室(LPTHE)的一項合作已經證明，消除表面自旋缺陷可以顯著降低感測器和計算機等量子器件的電荷雜訊。

超導量子器件如量子比特和感測器受性能退化材料缺陷的困擾，這些材料缺陷具有許多不同的性質。通常，這些缺陷可以分為兩類：引起磁通雜訊和磁場局部變化的表面自旋，以及引起電荷(或電介質)雜訊的表面電荷。傳統上，這兩種類型的缺陷和它們產生的噪音已經被分別進行了研究。該論文的突破性研究結果是，電荷雜訊的來源已經可以通過它們的自旋特徵來識別。研究人員這樣做表明，消除表面自旋缺陷顯著降低了電荷雜訊。

本研究中使用的技術micro-ESR是完善的電子自旋共振(ESR)光譜技術的一個晶元上的版本，當涉及表面缺陷時，它的靈敏度要高出許多數量級。該團隊2017年發表在《物理評論快報》上的論文中提到，他們發現了量子器件中存在非常稀薄的表面自旋。

在這項新研究中，作者使用平面超導微波諧振器作為micro-ESR和電荷雜訊的敏感探頭。他們表明，除去一些表面自旋也意外地將電荷雜訊抑制了10倍。這個實驗表明micro-ESR是一個非常強大的工具，因為它現在可以用來確定量子器件中磁通雜訊和電荷雜訊源的「化學指紋」。

NPL高級研究員、該研究的首席科學家Sebastian de Graaf說：「該研究所證明的重要一步是，同樣的技術可以用來揭示磁通雜訊的來源和電荷雜訊源的化學指紋，這使得micro-ESR成為開發高相干材料和量子計算電路擴展的一個真正寶貴的計量工具。」

查爾姆斯理工大學微技術和納米科學系的瑞典團隊的主要貢獻是在micro-ESR的核心開發了磁場彈性超導諧振器。LPTHE的法國合作者貢獻了他們在產生雜訊缺陷方面的理論知識，從而解釋了這些發現。雖然這項特定的研究著眼於製造超導量子電路常用的特定材料藍寶石，但該團隊現在希望將相同的方法應用於與新興量子行業相關的更廣泛的材料中。

NPL高級研究科學家，該研究的合著者Tobias Lindstr?m表示：「量子器件本身對其環境極其敏感，現有工具根本無法全面表徵我們用於製造量子比特的材料，因此，如果我們想要，比如構建實用的量子計算機，那麼就需要新的工具和技術。」

查爾姆斯理工大學微技術與納米科學系高級研究員Andrey Danilov博士總結道：「最終，我們想要了解並消除固態量子技術中使用的所有材料中的這類缺陷，因為這是各種技術的限制因素。在此我們展示了朝這個方向邁出的非常重要的一步，通過結合一系列先進的測量技術來演示一種用於量子水平的材料表徵的新方法，而傳統常規的分析技術不適用。」

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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