當涉及到開發量子計算機和利用量子信息時，科學家們需要對構成超導量子位的材料有一個全面的了解，量子位是保存信息的量子計算機的核心組件。美國能源部費米國家加速器實驗室（Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory）的科學家們，以及Rigetti Computing和美國國家標準與技術研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）等合作伙伴，已經使用一種新技術來識別物理量子位中可能限制量子信息壽命的雜質。

量子退相干是一種現象，其中源自各種因素的噪聲會限制量子信息可以存儲的壽命。這種現象對依賴量子信息進行計算的量子計算機的性能產生了不利影響。當科學家們成功地構建出受量子退相干影響較小的量子位時，量子計算機的力量將被釋放，科學家們將擁有一種新的工具來執行經典計算機難以或不可能解決的計算。

量子計算機旨在解決需要大量內存的問題，通過使用一種叫做疊加的量子力學特性，這些計算機將能夠分析如交通模式、天氣預報、金融建模等等包含大量數據的系統。

Daniel Bafia檢查位于費米實驗室材料科學實驗室的TOF-SIMS設備。
該設備的使用使SQMS 研究人員能夠研究超導量子比特中百萬分之幾的雜質。（圖源：SQMS 中心）

“在超導量子位中，我們一直想知道哪些潛在的材料特性會影響量子計算機的性能，”Rigetti Computing量子材料主管Josh Mutus 表示，“現在，SQMS的研究人員已經能夠使用高精度分析設備檢測Rigetti設備，以發現我們以前從未探索過的潛在缺陷系統。”

在包含超導量子位的材料中發現的雜質可歸因于導致量子退相干，費米實驗室領導的超導量子材料和系統中心的科學家在《應用物理快報》雜志上發表的一篇論文中強調了這一點。

通過TOF-SIMS分析提供的超導量子位樣品中碳氫化合物雜質分布的3D表示。（圖源：SQMS 中心）

通過在原子水平上對量子比特進行三維分析，科學家們發現了包括氧、氫、碳、氯、氟、鈉、鎂和鈣等元素在內的雜質，。

為了發現這些雜質，科學家們使用一種稱為TOF-SIMS或飛行時間二次離子質譜儀的設備，在一個量子位上快速發射離子，并對其進行切割。從量子位表面脫落的離子在儀器的傳感器中進行分析，其中的組成元素可以以百萬分之幾的精度被識別出來。

“作為該中心的一部分，我們最初的目標是準確識別量子位樣本中的雜質和缺陷。一旦我們獲得了這些信息，我們就可以建立戰略來去除這些雜質并提高性能，”本出版物的主要作者、SQMS中心的研究助理Akshay Murthy表示，“這是我們進入下一步需要的信息。”

TOF-SIMS儀器最初是為費米實驗室的超導射頻研究計劃購買的，用于識別加速器腔中用于推動粒子加速器中的粒子的雜質。現在，TOF-SIMS設備首次被用于分析量子位。構成加速器腔的材料中的雜質也會影響性能，這使得該儀器適用于SQMS的科學家，他們也可以識別材料中的雜質，這些雜質會損害或幫助其他超導技術。

“執行這種表征所需的工具不僅專業且昂貴，而且還需要經驗豐富的科學家來獲取和分析數據。”NIST量子比特制造專家Anthony McFadden 表示，“在SQMS內部的合作利用了費米實驗室和全國各地機構的專業設備和專業知識。”

TOF-SIMS從頂層識別原子，通過量子位向下蝕刻，生成構成量子位的元素和化合物的3D輪廓，并識別存在的雜質的類型和位置。

McFadden表示，“這項工作揭示了一些經常被忽視的退相干源，這些退相干源通常在設備處理過程中形成。”

量子位可以通過在硅上沉積一層超導鈮來制造。科學家們將鈮蒸發成氣體，就像冬天水蒸氣在冷金屬上形成冰一樣，鈮凝固后在硅頂部形成一層薄膜。

Murthy稱，用于整合鈮的原始腔室，或鈮原子在薄膜上的結構，可能會對量子位上的雜質產生影響。TOF-SIMS的分析可以從材料和方法的角度細化創建量子比特的過程。

【來源：C114通信網】【作者：余予】

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