TLS loss in superconducting resonators on epitaxial hBN thin films
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एपिटैक्सियल हेक्सागोनल बोरोन नाइट्राइड (hBN) पतली फिल्मों को नियोबियम सुपरकंडक्टिंग रेज़ोनेटर में एकीकृत करने से डाइइलेक्ट्रिक लॉस (dielectric loss) काफी कम हो जाता है और फोनॉन-मध्यस्थता वाली त्रुटियों (phonon-mediated errors) को कम किया जा सकता है, जो क्वांटम कंप्यूटरों और सेंसरों के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए एक आशाजनक सामग्री-संचालित रणनीति प्रदान करता है।
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क्वांटम कंप्यूटर और अति-संवेदनशील सेंसर उन सर्किटों पर निर्भर करते हैं जो सुपरकंडक्टिंग (अतिचालक) सामग्रियों से बने होते हैं, जो परम शून्य के करीब तापमान तक ठंडा होने पर बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करते हैं। हालाँकि, ये नाजुक मशीनें अदृश्य बाधाओं के प्रति संवेदनशील होती हैं। अंतरिक्ष से आने वाले उच्च-ऊर्जा कण या प्राकृतिक रेडियोधर्मिता ठोस सामग्री से टकरा सकती है, जिससे ध्वनि जैसी तरंगों की एक बौछार पैदा होती है जिसे फोनोन (phonons) कहा जाता है। ये कंपन सामग्री के माध्यम से यात्रा करते हैं और यदि वे सुपरकंडक्टिंग परत तक पहुँच जाते हैं, तो वे उन इलेक्ट्रॉन जोड़ों को तोड़ सकते हैं जो करंट ले जाते हैं। यह अनचाही ऊर्जा का एक विस्फोट पैदा करता है जो कंप्यूटर की गणनाओं को गड़बड़ा देता है या सेंसर को अंधा कर देता है। इसे रोकने के लिए, वैज्ञानिक लंबे समय से इन कंपनों को सबस्ट्रेट (आधार) और सुपरकंडक्टर के बीच की सीमा को पार करने से रोकने का तरीका खोज रहे हैं, लेकिन ऐसा करने के लिए सामग्री की एक नई परत जोड़ने से अक्सर अपनी स्वयं की समस्याएँ उत्पन्न हो जाती हैं, जैसे कि ऊर्जा को अवशोषित करना और सर्किट के प्रदर्शन को खराब करना।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट समाधान का परीक्षण करने के लिए हाथ बढ़ाया: सुपरकंडक्टर और सबस्ट्रेट के बीच हेक्सागोनल बोरोन नाइट्राइड, जो एक द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्री है, की एक पतली शीट डालना। यह सामग्री ध्वनि तरंगों को परावर्तित और बिखेरने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है, जो संभावित रूप से उन कंपनों के खिलाफ एक ढाल के रूप में कार्य करती है जो त्रुटियों का कारण बनते हैं। चुनौती यह साबित करना था कि इस ढाल को बिना शोर या ऊर्जा हानि का नया स्रोत पैदा किए जोड़ा जा सकता है, जो इस उद्देश्य को ही विफल कर दे। शोधकर्ताओं ने एक सटीक, उच्च-निर्वात तकनीक का उपयोग करके नीलम (sapphire) के आधार पर इस सामग्री की कुछ परतों को सीधे उगाया, फिर इसके ऊपर नियोबियम (niobium), जो एक सुपरकंडक्टिंग धातु है, की एक पतली फिल्म रखी। उन्होंने इन नई संरचनाओं पर छोटे रेज़ोनेटर बनाए, जो रेडियो तरंगों के लिए ट्यूनिंग फोर्क (tuning forks) की तरह होते हैं, और उनकी तुलना बिना अतिरिक्त परत के सीधे नग्न नीलम पर बने समान रेज़ोनेटर्स के साथ की।
मापों से पता चला कि नई सामग्री ने सर्किट के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से नुकसान नहीं पहुँचाया। बोरोन नाइट्राइड परत वाले रेज़ोनेटर्स ने आंतरिक ऊर्जा हानि का बहुत निम्न स्तर बनाए रखा, जो मौजूदा सर्वश्रेष्ठ सुपरकंडक्टिंग सर्किटों के तुलनीय है। सबसे शांत ऑपरेटिंग स्थितियों में, जहाँ सर्किट केवल ऊर्जा के एक एकल पैकेट को धारण करता है, हानि दस लाख में एक के क्रम पर रही। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुझाव देता है कि इस सामग्री को क्वांटम उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले घटकों के मानक स्टैक में बिना उनकी गुणवत्ता को कम किए एकीकृत किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि नए रेज़ोनेटर्स नियंत्रण उपकरणों की तुलना में समय के साथ अपनी आवृत्ति में यादृच्छिक उतार-चढ़ाव के प्रति थोड़े अधिक संवेदनशील थे, जो यह संकेत देता है कि परतों के बीच का इंटरफ़ेस अभी भी कुछ सूक्ष्म दोषों को धारण करता है जो मामूली अस्थिरता का कारण बनते हैं। हालाँकि, समग्र हानि उपयोगी होने के लिए पर्याप्त कम रही।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि इस प्रकार की द्वि-आयामी सामग्री उन फोनोन के विरुद्ध एक कार्यात्मक अवरोध के रूप में कार्य कर सकती है जो क्वांटम प्रणालियों को प्रभावित करते हैं। इन कंपनों को रोककर, यह सामग्री उन सहसंबद्ध त्रुटियों (correlated errors) को रोक सकती है जो वर्तमान में क्वांटम कंप्यूटरों के आकार और विश्वसनीयता को सीमित करती हैं। यही सिद्धांत क्वांटम सेंसर को भी बेहतर बना सकता है, यह सुनिश्चित करके कि कणों के प्रभाव से उत्पन्न ऊर्जा आसपास की पैकेजिंग में खोने के बजाय कुशलतापूर्वक एकत्र की जाए। हालाँकि इस सामग्री को उगाने की वर्तमान विधि जटिल है, परिणाम बताते हैं कि भविष्य के उपकरण समान परतों का उपयोग अपने संवेदनशील घटकों की सुरक्षा के लिए कर सकते हैं, जो अधिक मजबूत और स्केलेबल क्वांटम तकनीक के लिए मार्ग प्रशस्त करता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि ऊर्जा कैसे चलती है इसे नियंत्रित करने के लिए सामग्रियों के इंटरफ़ेस को इंजीनियर करना संभव है, जो अगली पीढ़ी की क्वांटम मशीनों के निर्माण के लिए एक व्यावहारिक रास्ता प्रदान करता है।
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