TLS loss in superconducting resonators on epitaxial hBN thin films
Deze studie toont aan dat het integreren van epitaxiale hexagonale boornitride (hBN) dunne films in niobium supergeleidende resonatoren de diëlektrische verliezen aanzienlijk vermindert en fonon-gemedieerde fouten mitigeert, wat een veelbelovende materiaalgestuurde strategie biedt om de prestaties van kwantumcomputers en sensoren te verbeteren.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Kwantumcomputers en ultrasensitieve sensoren vertrouwen op circuits gemaakt van supergeleidende materialen, die elektriciteit geleiden met nul weerstand wanneer ze worden afgekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt. Deze delicate machines zijn echter kwetsbaar voor onzichtbare verstoringen. Hoogenergetische deeltjes uit de ruimte of natuurlijke radioactiviteit kunnen het vaste materiaal dat het circuit vasthoudt raken, waardoor er een regen van geluidachtige trillingen, genaand fononen, ontstaat. Deze trillingen reizen door het materiaal en, als ze de supergeleidende laag bereiken, kunnen ze de paren elektronen die de stroom dragen breken. Dit creëert een uitbarsting van ongewenste energie die de berekeningen van de computer verstoort of de sensor blind maakt. Om dit te stoppen, zoeken wetenschappers al lang naar een manier om deze trillingen te blokkeren bij het passeren van de grens tussen het substraat en de supergeleider, maar het toevoegen van een nieuwe materiaallaag brengt vaak eigen problemen met zich mee, zoals het absorberen van energie en het ruïneren van de prestaties van het circuit.
Een team onderzoekers zette zich in om een specifieke oplossing te testen: het invoegen van een dunne laag hexagonaal boornitride, een tweedimensionaal materiaal, tussen de supergeleider en het substraat. Dit materiaal staat bekend om zijn vermogen om geluidsgolven te reflecteren en te verstrooien, wat potentieel kan dienen als een schild tegen de trillingen die fouten veroorzaken. De uitdaging was om te bewijzen dat dit schild toegevoegd kon worden zonder een nieuwe bron van ruis of energieverlies te introduceren die het doel teniet zou doen. De onderzoekers groeiden enkele lagen van dit materiaal direct op een saffierbasis met behulp van een nauwkeurige hoogvacuümtechniek, en plaatsten vervolgens een dunne film van niobium, een supergeleidend metaal, erop. Ze bouwden minuscule resonatoren, die lijken op stemvorken voor radiogolven, op deze nieuwe structuren en vergeleken deze zij aan zij met identieke resonatoren die direct op kaal saffier waren gebouwd zonder de extra laag.
De metingen toonden aan dat het nieuwe materiaal de prestaties van het circuit niet significant schaadde. De resonatoren met de boornitridelaag behielden een zeer laag niveau van interne energieverlies, vergelijkbaar met de beste bestaande supergeleidende circuits. In de stilste bedrijfsomstandigheden, waarbij het circuit slechts één pakketje energie vasthoudt, bleef het verlies in de orde van grootte van één deel per miljoen. Deze bevinding is cruciaal omdat het suggereert dat het materiaal geïntegreerd kan worden in de standaard stapeling van componenten die in kwantumapparaten worden gebruikt, zonder de kwaliteit ervan te verslechteren. De onderzoekers observeerden ook dat de nieuwe resonatoren iets gevoeliger waren voor willekeurige fluctuaties in hun frequentie in de loop van de tijd vergeleken met de controledevices, wat aangeeft dat de interface tussen de lagen nog steeds enkele microscopische defecten bevat die kleine instabiliteit veroorzaken. Het algemene verlies bleef echter laag genoeg om bruikbaar te zijn.
De studie bevestigt dat dit specifieke type tweedimensionaal materiaal kan dienen als een functionele barrière tegen de fononen die kwantumsystemen teisteren. Door deze trillingen te blokkeren, kan het materiaal de gecorreleerde fouten voorkomen die momenteel de omvang en betrouwbaarheid van kwantumcomputers beperken. Dezelfde principes zouden kwantumsensoren kunnen verbeteren door ervoor te zorgen dat energie van deeltjesinslagen efficiënt wordt verzameld in plaats van verloren te gaan aan de omliggende verpakking. Hoewel de huidige methode om het materiaal te groeien complex is, suggereren de resultaten dat toekomstige apparaten soortgelijke lagen kunnen gebruiken om hun gevoelige componenten te beschermen, wat de weg vrijmaakt voor robuustere en schaalbare kwantumtechnologie. Het werk demonstreert dat het mogelijk is om de interface tussen materialen te manipuleren om te controleren hoe energie beweegt, wat een praktisch pad biedt voor het bouwen van de volgende generatie kwantummachines.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.