Des chercheurs du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l'énergie (DOE) et du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du DOE ont découvert une couche d'interface inattendue qui peut entraver les performances des qubits supraconducteurs, les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques.
La recherche est publiée dans la revue Science avancée.
Tout en examinant cette couche à travers une combinaison de techniques d'imagerie et de modèles théoriques, ils ont découvert la cause sous-jacente des différences structurelles déroutantes dans les qubits.
La couche inattendue est appelée interface métal-substrat, ou interface MS, car elle se situe entre une couche de tantale métal et un substrat saphir.
Des chercheurs du Centre de co-conception pour l'avantage quantique (C2QA), un centre national de recherche sur les sciences de l'information quantique dirigée par Brookhaven Lab, a fabriqué des qubits supraconducteurs hautement performants composés d'un film mince de tantale déposé sur un substrat de saphir. Mais pour débloquer la puissance potentielle des ordinateurs quantiques, les qubits doivent présenter un «temps de cohérence» plus élevé, ce qui signifie qu'ils doivent conserver des informations quantiques plus longtemps.
Les chercheurs quantiques ont consacré des efforts importants pour déterminer quels matériaux et techniques de fabrication constituaient les qubits avec les temps de cohérence les plus élevés. Mais il existe plusieurs autres éléments d'architecture Qubit qui pourraient également affecter les temps de cohérence. Par exemple, lorsqu'un qubit est exposé à l'air, le tantale au niveau de la surface réagit avec l'oxygène.
Il en résulte une couche d'oxyde de tantale à la surface du qubit, et c2Les chercheurs d'AQ ont découvert que l'interface entre cette couche d'oxyde et le film mince de tantale entrave les performances du qubit. Ils ont même exploré le tantalum de revêtement pour empêcher l'oxydation de se produire.
« We knew that the interface between tantalum oxide and tantalum had a pretty big effect on the performance of qubits made with tantalum thin films, » explained Aswin kumar Anbalagan, a researcher at the National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) and first author on the Science avancée publication.
« Cela nous a amenés à nous demander si l'autre interface, celle entre le tantale et le saphir, affectait également les performances du qubit. »
Échantillons plus fins, informations plus profondes: sonder l'interface MS
Les qubits supraconducteurs hautement performants fabriqués par c2Les chercheurs d'AQ ont généralement entre 150 et 200 nanomètres d'épaisseur. Bien qu'ils soient incroyablement minces – pour un contexte, un cheveux humains est de 80 000 à 100 000 nanomètres de large – ils sont trop épais pour caractériser avec certaines techniques de rayons X.
Anbalagan et ses mentors de NSLS-II voulaient explorer la région où le métalum métallique rencontre le substrat saphir, de sorte qu'ils se sont associés à des chercheurs du centre de nanomatériaux fonctionnels (CFN) pour fabriquer des échantillons plus fins – plus de 30 nanomètres d'épaisseur – fabriqués des mêmes matériaux traditionnels.
« Chez CFN, nous avons développé une technique pour fabriquer des films minces de tantale de haute qualité pour des applications de circuits quantiques », a déclaré Mingzhao Liu, scientifique principal chez CFN et co-auteur sur le journal. « Dans ce cas, nous avons adopté la même technique pour fabriquer des films de tantale qui sont beaucoup plus minces, avec une surface et une interface très lisses contre le saphir. » NSLS-II et CFN sont le Doe Office of Science User Facilities at Brookhaven Lab.
« Nous avons commencé avec des mesures raisonnablement simples à NSLS-II pour voir l'interface sous le film mince de tantale », a déclaré Andrew L. Walter, un scientifique de la ligne de faisceau de plomb dans le programme de techniques de structure électronique de NSLS-II et l'un des auteurs principaux de l'article.
Les chercheurs ont mené des expériences de réflectivité aux rayons X au niveau de la ligne de faisceau pour la mesure des matériaux (BMM). Ces études ont offert des informations sur l'épaisseur et la densité de chaque couche dans l'échantillon. Ils ont également exploité la ligne de faisceau de spectroscopie et de tendre 2 (SST-2) pour prendre des mesures de spectroscopie aux rayons X qui ont révélé la composition chimique des couches. Les lignes de faisceau BMM et SST-2 à NSLS-II sont exploitées par l'Institut national des normes et de la technologie (NIST).
« Nous nous attendions à voir une interface propre entre le tantale et le substrat », a déclaré Walter. « Mais notre mesure a montré que quelque chose de plus intéressant se passait à l'interface. »
Les mesures des chercheurs au BMM ont révélé une couche enterrée et non observée auparavant entre le tantale métal et le substrat saphir.
« Nous avons essayé d'expliquer les données de bien d'autres manières, mais la couche mince à l'interface était le seul moyen de résoudre notre résultat inattendu », a déclaré Andi M. Barbour, scientifique de la ligne de faisceau chez NSLS-II et auteur co-dirigé de l'article.
Anbalagan a ajouté: « Si nous avions observé une couche aussi mince dans un échantillon de 150 nanomètres d'épaisseur, il n'aurait probablement pas attiré notre attention de la même manière. Ce travail n'aurait pas été possible sans les échantillons minces, mais ce n'était que le début de ce projet.
« Nos collègues étaient sceptiques quant aux complexités de l'interface MS, mais nous les avons convaincus de prendre des mesures plus sophistiquées et à forte intensité de temps afin que nous puissions regarder de plus près. »
C2Des chercheurs d'AQ du département de la matière condensée de Brookhaven (CMPMS) de la matière condensée et des matériaux (CMPMS) ont trouvé une couche d'atomes de tantale entremêlés d'aluminium et d'atomes d'oxygène du substrat de saphir de saptroscopie à transmission de balayage (STEM) et de spectroscopie d'énergie d'énergie électronique (EELS).
Ces techniques ont complété les études menées à NSLS-II car leur résolution spatiale élevée les convient de manière unique pour sonder les interfaces des couches minces.
« La tige et les anguilles permettent non seulement une observation directe de la disposition atomique à l'interface, mais révèlent également leurs états de liaison électronique », a déclaré Yimei Zhu, co-auteur de l'article de CMPMS.
Conformément aux recherches antérieures, les expérimentateurs ont également observé différentes orientations du film mince de tantale déposées sur le saphir.
« C'est comme couper un gâteau à partir de différentes orientations », a expliqué Barbour. « La façon dont un gâteau est généralement coupé, vous pouvez voir des couches de gâteau et de glaçage. Mais si vous faites pivoter le gâteau sur le côté, vous pouvez ne voir que du gâteau ou uniquement de la glaçage dans la section transversale. Dans ce scénario, la structure cristallographique des atomes de tantale est comme le gâteau et le glace. »
Collaborations informatiques
À travers le pays, PNNL Materials Scientist and Paper Co-Lead auteur Peter V. Sushko a utilisé des techniques de calcul pour aider à déterminer pourquoi il y avait deux orientations de tantale différentes – et parfois un mélange des deux orientations – à l'interface MS.
« Cette question est plus facile à résoudre avec le travail de calcul, plutôt qu'une expérience, car en calcul, je peux contrôler les positions et les concentrations d'atomes avec ce qui ressemble à une » main magique « », a expliqué Sushko.
Une modélisation comme celle-ci offre des informations sur la façon dont les différentes propriétés des matériaux sont déterminées par les interactions à l'échelle atomique, et Sushko a constaté que la concentration en oxygène à la surface du substrat du saphir joue un rôle important dans le sens du dépôt de Tantalum.
En d'autres termes, si le substrat a une concentration élevée d'oxygène à sa surface, le tantale se dépose en une seule orientation. S'il y a une faible concentration en oxygène à la surface du saphir, le tantale se dépose dans l'autre orientation.
« Il y a un accord assez remarquable entre les calculs de Peter et les mesures de microscopie électronique à transmission », a déclaré Walter. « Je ne vois pas de si bonnes corrélations très souvent. »
Barbour a ajouté: « Nous savions que quelque chose à cette interface jouait un rôle dans la dégradation des performances du qubit, mais nous ne savions pas que la concentration en oxygène à la surface du substrat pourrait avoir des effets aussi drastiques. Nos données expérimentales n'auraient pas eu presque le même impact sans les contributions de Peter. »
Chemin à parcourir
Avec une meilleure compréhension de ce qui provoque les différentes orientations de tantale, les chercheurs seront désormais en mesure d'ajuster différents aspects de la fabrication de qubit pour contrôler la quantité d'oxygène à la surface du substrat et, par conséquent, l'orientation du dépôt de Tantalum. Bien qu'ils ne sachent pas encore quelle orientation – ni combinaison d'orientations – optimise les performances du qubit, c'est une orientation pour les recherches futures.
« Ce travail montre comment les mesures de réflectivité aux rayons X pourraient être un outil puissant dans le prototypage ou la détermination de la façon dont vous souhaitez faire pousser vos échantillons », a déclaré Barbour, faisant référence à la façon dont les caractérisations de rayons X de plusieurs heures ont informé et motivé les expériences de STEM les plus complexes et à forte intensité de main-d'œuvre. « La réflectivité aux rayons X peut être un moyen rapide et efficace de commencer à comprendre les impacts des différentes techniques de fabrication. »
En outre, les tests effectués par des physiciens de Brookhaven ont confirmé que l'échantillon de proxy utilisé dans cette recherche présentait des propriétés supraconductrices nécessaires aux qubits fonctionnels, ouvrant la porte à réduire potentiellement la taille du qubit à l'avenir.
Des expérimentateurs utilisant une instrumentation de pointe sur la côte est des États-Unis vers des théoriciens utilisant des techniques de calcul de pointe sur la côte ouest, ce projet a incorporé une largeur d'expertise et d'outils – et a duré un continent. Mais cela n'aurait pas été possible sans la structure interdisciplinaire et inter-institutionnelle de C2QA.
« Il faut vraiment beaucoup de scientifiques différents avec des horizons différents pour progresser vers de meilleurs qubits », a déclaré Barbour. « Un objectif central de C2QA rassemble tous les bons groupes de personnes, et ce travail n'est qu'une partie des nombreuses contributions du centre à l'informatique quantique. «
