量子復活   高性能鈮超導量子位元展現卓越特性

編譯/高晟鈞

多年來鈮在超導量子位元的表現始終不甚理想;然而或許很快將迎來它的高光時刻。史丹佛大學的研究團隊近日宣布,找到了一種設計出高性能鈮基量子位元的方法,從而利用鈮的卓越特性。

史丹佛大學的研究團隊近日宣布,找到了一種設計出高性能鈮基量子位元的方法,從而利用鈮的卓越特性。圖/截取自 Scitechdaily

鈮的優勢

鈮因為其作為超導體的卓越品質,而一直被認為是量子技術的潛力候選材料。然而,過去十五年來,作為核心量子材料,鈮元素平庸的表現使其一直位於替補席上。

當我們談起超導量子位元時,鋁元素佔據了主導地位,鋁基超導量子位元可以在資料不可避免地崩潰前,以相對較長的時間儲存信息;而這也意味著更長的資訊處理時間。

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鋁基超導量子位元的最長相干時間為億分之一秒,相較之下,近年來最好的鈮基量子位元產生的相干時間短了100倍,只有幾百億分之一秒。儘管如此,相比於鋁基量子位元,鈮基量子位元可以在更高的溫度下運行,工作範圍頻率達鋁基的8倍,磁場範圍更是鋁基的18,000倍之多,不過因受到相干性的限制,鈮基量子位元始終處於相對尷尬的定位。

新量子位元誕生

約瑟夫隧道結(Josephson Junction)是超導量子位元的訊息處理核心,其結構如同一個三明治,由兩層超導金屬中間夾著一非導電材料層所組成,典型的約瑟夫隧道結由兩層鋁(鈮)和位於中間的氧化鋁(鈮)製成。研究團隊發現,氧化鈮層消耗了維持量子態所需的能量,是導致量子態快速消失的最大原因。

因此,研究團隊結合了兩者的優點,從而設計出新的約瑟夫隧道結排列組合:鈮、鋁、氧化鋁、鋁、鈮,這種設計使得鋁薄層可以很好地繼承來自鈮的超導特性,並消除造成損耗的缺點。

將新結融入超導量子位元後,研究團隊實現了約百萬分之六十秒的相干時間,比純鈮基要高上了150倍,其品質也有所提高(100倍),與鋁基量子位元相當。鈮基量子位元的復活可能提升其他超導量子材料陣容中的地位,並為未來的量子技術開闢一條新的道路。

資料來源:Scitechdaily

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