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Gli scienziati decodificano il profilo chimico degli ossidi superficiali di tantalio per comprendere la perdita e migliorare le prestazioni dei qubit

Laboratorio nazionale DOE/Brookhaven

immagine: ossido di tantalio (TaOx) caratterizzato mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi Xvedere di più

Credito: Laboratorio nazionale di Brookhaven

UPTON, NY—Che si tratti di cuocere una torta, costruire una casa o sviluppare un dispositivo quantistico, la qualità del prodotto finale dipende in modo significativo dai suoi ingredienti o dai materiali di base. I ricercatori che lavorano per migliorare le prestazioni dei qubit superconduttori, il fondamento dei computer quantistici, hanno sperimentato l’utilizzo di diversi materiali di base nel tentativo di aumentare la durata coerente dei qubit. Il tempo di coerenza è una misura di quanto tempo un qubit conserva le informazioni quantistiche e quindi una misura primaria delle prestazioni. Recentemente, gli scienziati hanno scoperto che l’uso del tantalio nei qubit superconduttori ne migliora le prestazioni, ma nessuno è stato in grado di determinarne il motivo, fino ad ora.

Scienziati del Center for Functional Nanomaterials (CFN), del National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), del Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA) e dell'Università di Princeton hanno studiato le ragioni fondamentali per cui questi qubit funzionano meglio decodificando il profilo chimico del tantalio. I risultati di questo lavoro, recentemente pubblicati sulla rivista Advanced Science, forniranno conoscenze fondamentali per progettare qubit ancora migliori in futuro. CFN e NSLS-II sono le strutture dell'Ufficio per gli utenti scientifici del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory del DOE. C2QA è un centro nazionale di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica guidato da Brookhaven, di cui l'Università di Princeton è un partner chiave.

Il tantalio è un metallo unico e versatile. È denso, duro e facile da lavorare. Il tantalio ha anche un alto punto di fusione ed è resistente alla corrosione, il che lo rende utile in molte applicazioni commerciali. Inoltre, il tantalio è un superconduttore, il che significa che non ha resistenza elettrica quando viene raffreddato a temperature sufficientemente basse e di conseguenza può trasportare corrente senza alcuna perdita di energia.

I qubit superconduttori basati sul tantalio hanno dimostrato una durata record di oltre mezzo millisecondo. Questo è cinque volte più lungo della durata dei qubit realizzati con niobio e alluminio, attualmente utilizzati nei processori quantistici su larga scala.

Queste proprietà rendono il tantalio un eccellente materiale candidato per costruire qubit migliori. Tuttavia, l’obiettivo di migliorare i computer quantistici superconduttori è stato ostacolato dalla mancanza di comprensione di ciò che limita la durata dei qubit, un processo noto come decoerenza. Si ritiene generalmente che il rumore e le fonti microscopiche di perdita dielettrica contribuiscano; tuttavia, gli scienziati non sono sicuri esattamente del perché e del come.

"Il lavoro in questo articolo è uno di due studi paralleli che mirano ad affrontare una grande sfida nella fabbricazione di qubit", ha spiegato Nathalie de Leon, professore associato di ingegneria elettrica e informatica all'Università di Princeton e leader nella spinta dei materiali per C2QA. "Nessuno ha proposto un modello microscopico e atomistico per la perdita che spieghi tutto il comportamento osservato e poi è stato in grado di dimostrare che il loro modello limita un particolare dispositivo. Ciò richiede tecniche di misurazione precise e quantitative, nonché una sofisticata analisi dei dati."

Per ottenere un quadro migliore della fonte della decoerenza dei qubit, gli scienziati di Princeton e CFN hanno coltivato e trattato chimicamente pellicole di tantalio su substrati di zaffiro. Hanno quindi portato questi campioni alle Spectroscopy Soft and Tender Beamlines (SST-1 e SST-2) presso NSLS-II per studiare l'ossido di tantalio che si è formato sulla superficie utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS). L'XPS utilizza i raggi X per espellere gli elettroni dal campione e fornisce indizi sulle proprietà chimiche e sullo stato elettronico degli atomi vicino alla superficie del campione. Gli scienziati hanno ipotizzato che lo spessore e la natura chimica di questo strato di ossido di tantalio abbiano avuto un ruolo nel determinare la coerenza dei qubit, poiché il tantalio ha uno strato di ossido più sottile rispetto al niobio più tipicamente utilizzato nei qubit.