(a)微波腔和量子位概念圖(b)氮化物超導量子位電路的光學顯微圖(c)氮化物超導量子位(部分)的電子顯微圖和器件的橫截面圖(d)外延生長的氮化物約瑟夫森結的透射電子顯微圖。國立資訊通訊技術研究所、國立先進產業科學技術研究所和名古屋大學
國立資訊通訊技術研究所(NICT, President: Tokuda Hideyuki, Ph.D.)的研究人員與國立先進產業科學與技術研究所(AIST, President:Ishimura Kazuhiko博士)和東海國立高等教育和研究系統名古屋大學(校長:Matsuo Seiichi博士)已經成功地開發了全氮超導量子位，利用外延生長在矽基板上，不使用鋁作為導電材料。
該量子位採用超導過渡溫度為16k(-257°C)的氮化鈮(NbN)作為電極材料，氮化鋁(AlN)作為約瑟夫森結的絕緣層。它是一種新型的量子位元，由矽襯底上外延生長的全氮材料製成，不含任何非晶氧化物，而非晶氧化物是主要的噪聲源。透過在矽襯底上實現這種新材料量子位，獲得了較長的相干時間:能量弛豫時間T1為16微秒，相弛豫時間T2為22微秒為平均值。這是在傳統氧化鎂襯底上生長的氮化物超導量子位元的32倍T1和44倍T2。
利用氮化鈮作為超導體，可以構建執行更穩定的超導量子電路，有望對量子計算機和量子節點作為量子計算的基本元素的發展做出貢獻。我們將繼續最佳化電路結構和製造工藝，並將繼續進行研發，進一步延長相干時間，實現大規模整合。
該研究結果於2021年9月20日18時(日本時間)在英國科學雜誌《通訊資料》上發表。
背景和挑戰
在即將到來的“社會5.0”時代，迄今為止支撐資訊社會的半導體電路的效能改善存在侷限性，而量子計算機將成為突破這一侷限性的新的資訊處理正規化。然而，量子疊加態是量子計算機執行中不可缺少的，它容易被各種干擾(噪聲)破壞，因此有必要適當地消除這些影響。
由於超導量子位元是固態元件，因此在設計上具有很好的靈活性、整合度和可擴充套件性，但它們很容易受到周圍環境中各種干擾的影響。挑戰在於如何延長相干時間，也就是量子疊加態的壽命。為了克服這一問題，世界各地的研究機構正在進行各種各樣的努力，其中大部分都將鋁(Al)和氧化鋁膜(AlOx)作為超導量子位元材料。然而，作為一種噪聲源，非晶態氧化鋁作為一種常用的絕緣層，一直受到人們的關注，因此研究能夠解決這一問題的材料是十分必要的。
替代鋁和非晶態氧化鋁的超導轉變溫度TC 1 K(-272°C),外延生長氮化鈮(”的TC 16 K(-257°C), NICT發展超導量子位元NbN公司禁止使用/ AlN / all-nitride NbN公司禁止連線,專注於氮化鋁(AlN)作為絕緣層。
為了實現NbN / AlN / NbN約瑟夫森結(外延結)，晶體取向向上電極方向排列，必須使用與NbN晶格常數相對接近的氧化鎂(MgO)襯底。然而，MgO具有較大的介電損耗和使用NbN / AlN / NbN結的超導量子位元的相干時間
(a)能量弛豫時間T1=18微秒(b)相位弛豫時間T2=23微秒。國立資訊通訊技術研究所、國立先進產業科學技術研究所和名古屋大學
成就
NICT已經成功地實現了NbN / AlN / NbN外延Josephson結，使用氮化鈦(TiN)作為矽(Si)襯底上的緩衝層，具有更小的介電損耗。這一次，我們利用這種結制造技術，設計、製作並評估了一個超導量子位元(見圖1)，該超導量子位元使用NbN作為電極材料，AlN作為約瑟夫森結的絕緣層。
如圖1(a)所示，量子電路被製作在矽襯底上，這樣微波腔和量子位就可以相互耦合並相互作用，如圖1(b)所示。在10 mK的極低溫度下，對諧振腔弱耦合到量子位的微波特性進行了傳輸測量，得到了能量弛豫時間T1為18微秒，相弛豫時間T2為23微秒。100次測量的平均值是T1=16微秒和T2= 22微秒。與MgO襯底上的超導量子位相比，T1和T2分別提高了32倍和44倍。
對於這個結果，我們沒有使用傳統的鋁和氧化鋁來製作約瑟夫森結，而約瑟夫森結是超導量子位元的核心。我們成功地開發了一種氮化超導量子位，該量子位由於外延生長而具有很高的超導臨界溫度TC和優異的結晶度。這兩點意義重大。特別是，透過在矽襯底上外延生長，降低介質損耗，在數十微秒內成功觀測到氮化超導量子位元的相干時間，這在世界上尚屬首次。這種氮化物的超導量子位仍處於開發的早期階段，我們相信，透過最佳化量子位的設計和製造工藝，有可能進一步提高相干時間。
利用這種可能取代傳統鋁的新型材料平臺，我們將加快量子資訊處理的研發，這將有助於實現更省電的資訊處理，實現構建安全可靠的量子網路所需的量子節點。
前景
我們計劃最佳化電路結構和製造工藝，以進一步延長相干時間，改善器件特性的均勻性，以預測未來的大規模整合。透過這種方式，我們的目標是建立一個新的量子硬體平臺，超越傳統的基於鋁的量子位元的效能。
