利用硅基板成功开发了氮化物超导量子位 - -提出面向超导量子比特大规模集成化的新材料平台-
重点 使用超导转变温度为16 K的氮化铌，在硅基板上实现氮化物超导量子位 开发了在低损耗硅基板上的制作技术，相干时间得到了很大改善 期待应用于大规模量子计算机和量子节点
国立研究开发法人信息通信研究机构( NICT，理事长:德田英幸)与国立研究开发法人产业技术综合研究所(理事长:石村和彦)、国立大学法人东海国立大学机构名古屋大学(总长:松尾清一)共同，作为超导材料不使用铝的超导量子比特*1， 该量子位是以超导转变温度为16 K(-257 ℃)的氮化铌( NbN ) *3作为电极材料，在约瑟夫森结*4的绝缘层上使用氮化铝( AlN )进行外延生长的全氮化物的元件，是由完全不含噪声源非晶质*5氧化物的新型超导材料构成的新型量子比特。 这次，通过在硅基板上实现该新材料量子位，得到了作为平均值的能量弛豫时间( T1 ) *6为16微秒和相位弛豫时间( T2 ) *6为22微秒的相干时间*7。 这与以往氧化镁基板上的氮化物超导量子位的情况相比，T1约相当于3.2倍，T2约相当于4.4倍。 通过使用氮化铌作为超导体，可以构筑更稳定工作的超导量子电路，作为量子运算的基本元件，期待着对量子计算机和量子节点*8的开发做出贡献。 今后，我们将致力于电路结构和制作工艺的优化，为进一步延长相干时间、实现大规模集成化而进行研究开发。 此外，本成果于2021年9月20日(星期一) 18:00 (日本时间)刊登在世界权威的Nature Research出版社的专业杂志《Communications Materials》上。
背景 面向即将到来的未来社会Society 5.0*9，支撑至今为止的信息社会的半导体电路的性能提高开始显现出极限，作为打破这种极限的新的信息处理模式，“量子计算机”的期待越来越高。 但是，量子计算机工作中不可缺少的量子叠加状态容易因各种干扰(噪声)而损坏，因此必须适当排除它们的影响。 由于超导量子位为固体元件，因此设计自由度、集成性、扩展性优异，但另一方面容易受到围绕超导量子位的各种干扰的影响，如何延长量子叠加状态的寿命即相干时间成为课题。 为了克服这个课题，世界各地的研究机构进行了各种各样的努力，但是，其中大部分使用铝( Al )和铝氧化膜( AlOx )作为超导量子比特材料。 但是，作为绝缘层经常使用的非晶质氧化铝，作为干扰源令人担忧，能够解决这个问题的材料的研究是不可缺少的。 NICT作为代替超导转变温度为1 K(-272 ℃)铝和非晶氧化铝的物质，使用具有16 K(-257 ℃)的超导转变温度的氮化铌( NbN )和外延生长法结晶化的氮化铝 进行了在约瑟夫森结绝缘层中使用AlN的全氮化物的NbN/AlN/NbN结的超导量子位的开发(详细情况参照补充资料)。 为了实现晶体取向*10一致到上部电极的NbN/AlN/NbN结(外延结)，需要使用晶体晶格常数与NbN比较接近的氧化镁( MgO )基板，但MgO的介电损耗*11较大，在MgO基板上 。
图1 ( a )微波谐振器和量子比特的概念图 ( b )氮化物超导量子比特电路的光学显微镜照片 ( c )氮化物超导量子位(一部分)的电子显微镜照片和元件的截面图 ( d )外延生长的氮化物约瑟夫森结的透射型电子显微镜照片
图2相干时间的测量结果 ( a )得到了能量弛豫时间T1=18.25 µs和( b )相位弛豫时间T2=23.20 µs。
这次的成果 迄今为止，NICT在介电损耗更小的硅( Si )基板上以氮化钛( TiN )为缓冲层实现了NbN/AlN/NbN外延结[2]。 这次，我们设计、制作、评价了利用在硅基板上制作的NbN/AlN/NbN结的量子位电路(参照图1 )。 超导量子位通过微波进行其状态控制和读取，因此实验中使用的基本电路如图1(a )所示，为量子位与微波谐振器耦合的结构。 这样的基本电路如图1(b )所示，由在Si基板上外延生长的氮化物超导体制作。 氮化物超导量子比特(一部分)的电子显微镜照片和元件的截面图如图1(c )所示，外延生长的氮化物约瑟夫森结的透射型电子显微镜照片如图1(d )所示。 在热波动小的10 mK的极低温下，测定与量子位弱耦合的谐振器的微波传输特性，结果如图2所示，对于作为量子位相干时间指标的能量弛豫时间( T1 )、相位弛豫时间( T2 )，分别为18微秒、23毫秒 这与MgO基板上的超导量子位相比，T1改善了约3.2倍，T2改善了约4.4倍。 此次的结果对超导量子比特的心脏部分约瑟夫森结不使用以往的铝和铝氧化膜，超导转变温度比以往高，在外延生长中成功开发出结晶性优异的氮化物超导量子比特有很大的意义。 特别是通过在Si基板上外延生长来减少介电损耗，从氮化物超导量子比特到数十微秒级的相干时间观测成功，在世界上尚属首次。 这个氮化物的超导量子比特还处于开发初期阶段，通过量子比特的设计和制作工艺的优化，可以进一步改善相干时间。 氮化物量子比特作为取代传统铝的新材料平台，有望加速量子信息处理的研究开发，为实现更省电的信息处理、构建放心安全的量子网络所需的量子节点做出贡献。
今后的展望 今后，为了进一步延长相干时间，提高面向未来大规模集成化的元件特性的均匀性，将致力于电路结构和制作工艺的优化，以构筑超过以往基于铝的量子比特性能的量子硬件新平台为目标。
各机构的作用分担 信息通信研究机构:利用Si衬底上的氮化物超导体开发外延约瑟夫森结，超导量子比特的设计、制作、测量和评价技术的开发 工业技术综合研究所:超导量子比特的测量和评估 名古屋大学:超导量子比特制作工艺的开发
论文信息
刊登杂志:通信材料 Communicationｓ MaterialsDOI: 10.1038/s43246-021-00204-4 网址:网址:// doi.org/10.1038/s 43246-021-00204-4 论文名称:增强的整体一致性——初始化超级咨询体系外部环境下的“硅谷”
Enhanced coherence of all-nitride superconducting qubit epitaxially grown on silicon substrate作者: SSunmi Kim, Hirotaka Terai, Taro Yamashita, Wei Qiu, Tomoko Fuse, Fumiki Yoshihara, Sahel Ashhab, Kunihiro Inomata, Kouichi Semba
相关过去的新闻发布会 2016年10月11日发现了由光子和人工原子组成的稳定的分子状态
https://www.nict.go.jp/press/2016/10/11-1.html 2017年11月15日，世界上首次实现了使用氮化铌的磁性约瑟夫森元件 https://www.nict.go.jp/press/2017/11/15-1.html 2018年5月8日，通过与光子的相互作用，可以自由控制超导人工原子的能量 https://www.nict.go.jp/press/2018/05/08-1.htm
补充资料 关于氮化物超导量子比特 目前，为了改善相干时间，以谷歌、IBM、Alibaba等大型IT企业为首的全世界的研究机构进行了各种尝试，但很多超导量子比特以铝蒸镀膜为电极，使用以表面的铝氧化膜为绝缘层的约瑟夫森结制作。 已知该非晶质的氧化铝膜含有大量被称为二能级系统( TLS: Two Level System )的材料缺陷，成为阻碍量子叠加状态持续的(相干性)主要原因。 以氮化铌( NbN )为电极材料的NbN/AlN/NbN结具有晶体结构和方向(取向)直至上部电极全部一致的外延生长的特点，因此有可能降低由TLS引起的相干性。 另外，铝的超导转变温度为1 K，而在NbN中高达16 K，意味着对各种干扰(从布线侵入的热量和电磁噪声等)的耐受性高，因此有望实现更稳定地工作的量子位。 但是，尽管特性优异，但氮化物量子位的开发却延迟的理由是，作为绝缘层使用的氮化铝( AlN )膜的压电性(压电特性) *12将相干时间限制在0.01微秒左右。 我们为了解决这个问题，着眼于AlN薄膜的晶体结构，为了从表示压电性的纤锌矿型结构转换为不具有压电性的立方晶的晶体结构，在( 100 )取向的单晶基板上采用了NbN/AlN/NbN结的外延生长法。 作为电极材料的NbN只能在晶格常数与晶体结构比较接近的MgO基板上实现晶体取向一致的平坦性优异的薄膜，因此迄今为止，使用在MgO基板上制作的NbN/AlN/NbN外延结进行了超导量子位的评价，观测到0.5微秒的相干时间[1]。
此次开发的氮化物超导量子比特
图1 (重新张贴) ( a )微波谐振器和量子位的概念图， ( b )氮化物超导量子比特电路的光学显微镜照片， ( c )氮化物超导量子位(一部分)的电子显微镜照片和元件的截面图， ( d )外延生长的氮化物约瑟夫森结的透射电镜照片
参考文献
[1] Y. Nakamura, H. Terai, K. Inomata, T. Yamamoto, W. Qiu, and Z. Wang, “Superconducting qubits consisting of epitaxially grown NbN/AlN/NbN Josephson junctions”, Appl. Phys. Lett. 99, 212502 (2011).
[2] K. Makise, H. Terai, and Y. Uzawa, “NbN/AlN/NbN/TiN tunnel junctions on Si (100) substrate for superconducting devices”, IEEE Trans. Appl. Sup. 26, 1100403 (2016).
用语解说 *1超导量子比特 量子比特(量子计算机中使用的量子信息的最小单位)的一种，通过由超导体构成的量子电路实现0和1的叠加状态的量子比特是超导量子比特。
*2外延生长 外延生长( Epitaxial growth )是薄膜晶体生长技术之一，是一种在基板上晶面对齐排列的成膜法。 在NbN的外延生长中，一般使用晶格常数大致相等的MgO单晶基板，但MgO基板在微波传输时介电损耗较大，因此不希望用于量子位制作。 作为参考，MgO的晶格常数为0.421 nm，NbN为0.446 nm。 高电阻的Si基板的介电损耗小一位数，适合量子比特的制作，但是由于其晶格常数( 0.542 nm )与NbN有很大不同，所以在Si基板上的外延生长存在难点。 但是，在NICT中，通过在Si基板和NbN薄膜之间使用晶格常数与MgO基板大致相同的TiN (晶格常数0.424 nm )作为缓冲层，开发了NbN在Si基板上的外延生长技术，并能够应用于量子位。
*3氮化铌( NbN ) 是在超导转变温度以下的温度下，表现出电阻为零的超导状态的材料之一。 铌( Nb )和氮化铌( NbN )的超导转变温度分别约为9 K(-264 ℃)和16 K(-257 ℃)。 超导转变温度高的氮化铌具有冷却所需的电力小的优点。
*4约瑟夫森结 具有将两个超导电极用极薄的绝缘体或常导金属薄膜隔开的结构的元件称为约瑟夫森元件，由于超导电极之间的隧道效应，零电阻(零电压)的电流(约瑟夫森电流)流动。 由于该约瑟夫森电流的大小由两个超导电极的宏观相位之差决定(直流约瑟夫森效应)，相反，可以通过向约瑟夫森元件流过多少电流来控制超导电极之间的宏观相位。 以超导量子位为首的许多超导器件都以基于该约瑟夫森元件的宏观相位控制为基本工作原理。
*5非晶态 不是结晶质的。 固体原子分子等的排列没有规律，也称为无定形物质、非晶。
*6能量缓和时间( T1 )和相位缓和时间( T2 ) 已知具有被称为能量弛豫时间( T1 )和相位弛豫时间( T2 )的量化比特的动态的两种时间作为量化比特的相干时间。 能量弛豫时间T1是表示对处于基态(|0 > )的量子比特照射被称为π脉冲的微波脉冲所得到的激发态(|1 > )释放能量弛豫为基态|0>的过程的时间。 量子比特在激发态|1>中被发现的概率相对于时间呈指数衰减，其时间常数为T1。 T2被称为相位弛豫时间或横向弛豫时间，是指被称为π/2脉冲的微波脉冲产生|0>状态和|1>状态的叠加状态，其相位弛豫后量子比特失去量子相干性所需的时间。
*7相干时间 是指量子重叠状态的寿命。 是指量子重叠的两个状态之间干涉持续的时间，干涉消失后量子重叠状态消失，粒子的状态确定为一个。
*8量子节点 量子信息的长距离通信在光纤的光通信技术中成为可能，从而可以构建量子网络。 但是，课题是通信距离变长则光信号变弱，由于量子噪声等导致通信速度受到限制。 为了解决该问题，量子节点能够在该网络的中继点(节点)自由测量、控制和保存光信号的量子性质。 量化节点根据使用目的不同，需要由一个量化比特到多个量化比特构成的量化处理器。
* * 9协会5.0 是指在日本提倡的未来社会理念中，通过将网络空间(虚拟空间)与物理空间(现实空间)高度融合的系统，兼顾经济发展和社会课题的解决的以人为中心的社会。 https://www8.Cao.go.jp/cstp/society5_0/ [返回参照源] *10晶体取向 构成固体的单位组织(微晶)沿一定方向排列。
*11介质损耗 在向电介质施加高频信号( GHz带)时，由于相位比该交流电场延迟而引起极化，因此产生的热能，会失去高频信号的一部分电场能量。
*12压电性(压电特性) 也被称为压电特性，是对物质施加压力后与压力成比例极化从而出现表面电荷的特性。 相反，也包括施加电场时物质变形的特性(逆压电效果)。 在量子比特中，如果电场集中的约瑟夫森结的一部分具有压电特性，则电场与基板侧的晶格的结合会导致基板侧因声子发射而发生能量耗散，量子比特的相干性很快就会破坏。