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。

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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