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《揭示超导体之谜：需要仔细观察Ames实验室的新领域》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： Lightfeng
  • 发布时间：2018-05-13

  • 美国能源部的Ames实验室已经成功地证明，一种新型的光学磁力仪，即NV磁力镜，可以映射超导材料的一个独特特征，与零电阻一起定义超导性本身。

    这一独特的特征是迈斯纳效应，即材料向超导状态转变时磁场的排除。

    “迈斯纳效应是真正的超导体的标志性特征，它将其与具有零电阻的假想完美金属分开，”Ames实验室物理学家，低温超导性和磁性方面的专家Ruslan Prozorov说：“这在原则上很好，但在真正的超导材料中，迈斯纳效应相当复杂。超导样品对磁场的强烈屏蔽和磁场冷却时的Meissner排斥可能会造成混淆。这种影响实际上非常脆弱和脆弱，难以观察。”

    到目前为止，物理学家已经能够观察到迈斯纳效应，但无法想象其在材料中的空间分布以及不同超导化合物之间的差异。

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  • 《JILA研究人员使用量子模拟器观测到长期预测的超导体特性》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-04-18
    • 超导性使物理学看起来像魔术。在低温下，超导材料允许电流无限期流动，同时排出外部磁场，使其悬浮在磁铁上方。核磁共振成像、磁悬浮列车和高能粒子加速器使用超导性，超导性在量子计算、量子传感器和量子测量科学中也发挥着至关重要的作用。总有一天，超导电网可能会以前所未有的效率输送电力。 然而，科学家们缺乏对传统超导体的完全控制。这些固体材料通常包括多种复杂结构的原子，这些原子在实验室中很难操作。当温度或压力突然变化，使超导体失去平衡时，更难研究会发生什么。 量子理论预测了超导体脱离平衡时的有趣行为。但在实验室中对这些材料进行扰动而不破坏其微妙的超导特性一直是一项挑战，这使得这些预测未经测试。 然而，科学家们可以通过在气体中使用完全可控的原子阵列来研究超导性，从而获得令人惊讶的深刻见解。这是美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所JILA的研究合作方法。 在他们的最新工作中，JILA的研究人员使锶原子气体像超导体一样发挥作用。尽管锶原子本身不是超导的，但它们遵循相同的量子物理规则。研究人员可以使气体中的原子相互作用，以保持超导性的相互作用，同时抑制其他竞争性的复杂相互作用。通过使原子脱离平衡，研究人员看到了原子相互作用的变化，这将影响实际超导体的性质。 通过锶气体作为“量子模拟器”，研究人员能够观察到超导体的行为，这种行为已被预测存在多年。这项发表在《Nature》期刊上的研究为超导体在适当地脱离平衡时如何工作提供了新的见解，并揭示了如何使超导体更加坚固，以及如何在其他量子技术中使用其独特特性。 “这些东西有多坚固？” 在正常材料中，电子以不相干的方式移动，不断地相互碰撞；通常情况下，电子相互排斥。当它们移动时，会发生碰撞，失去能量并产生热量；这就是为什么当电子在金属丝中流动时电流会消散的原因。然而，在超导体中，电子结合成弱键对，称为库珀对。当这些对形成时，它们都倾向于连贯地移动，这就是为什么它们在材料中流动时没有阻力。 NIST和JILA研究员、理论物理学家Ana Maria Rey解释说，物理学在某种意义上很简单。库珀对以低能态存在，因为材料晶体结构中的振动将电子拉在一起。当形成时，库珀对更喜欢连贯一致地行动并锁定在一起。库珀对有点像“箭头”，希望在同一方向上排列。Rey解释说，要解锁它们或使其中一个箭头指向不同的方向，你需要添加额外的能量来打破库珀对。你需要添加的能量来解锁它们，这被称为能量缺口。原子之间更强的相互作用会产生更大的能隙，因为保持库珀对锁定的吸引力非常强。克服这种能量差距会让库柏组合失去很多能量。因此，这个能隙起到了缓冲作用，让库珀对保持愉快的相位锁定。 当系统处于平衡状态时，这一切都会起作用。但是，当你引入一种突然、快速的变化时，超导体就会失去平衡，或者变得“淬火”。JILA物理学家James Thompson说，几十年来，科学家们一直想知道，在突然但强度不足以完全打破库珀对的淬火后，超导电性会发生什么。 Thompson说：“换句话说，这些东西有多坚固？”。 理论家们预测了超导体被淬火时可能发生的三种不同的可能性或阶段。Thompson说，把它想象成一大群广场舞者。起初，每个人都是同步的，紧跟着音乐的节拍。然后有些人有点累了，或者有些人开始移动得有点太快了，他们撞到了一起，然后变成了一个巨大的坑。这是第一阶段，超导电性崩溃。在第二阶段，舞者脱离节奏，但设法保持同步。超导性经受住了淬火。科学家们已经能够观察和研究这两个阶段。 但他们从未见过长期预测的第三阶段，即系统的超导性随时间振荡。在这个阶段，我们的舞者有时会移动得更快或更慢，但没有人崩溃。这意味着有时它是较弱的超导体，有时它是较强的超导体。到目前为止，还没有人能够观察到第三阶段。 “一切都在流动” Thompson在JILA激光器的团队与Rey的理论小组合作，将锶原子冷却并加载到光学腔中，光学腔的两端都有高反射镜。激光来回反弹数百万次，然后一些光从一端泄漏出去。 Rey解释说，空腔中的光介导了原子之间的相互作用，使它们排列成叠加态——这意味着它们同时处于激发态和基态——并像库珀对一样锁定相位。 使用激光，科学家们可以对系统进行淬火，并通过测量泄漏的光，了解能隙是如何随着时间的推移而变化的。通过这种量子超导体模拟，他们首次能够观察到所有三个动态相。 他们发现，在第三相，即使系统失去平衡，能隙也能保持超导性。使用这样的量子模拟器可以帮助科学家设计出非常规或更坚固的超导体，并更好地理解超导体的物理特性。 对于从事测量科学工作的科学家来说，这也是一种违反直觉的方式，将原子相互作用，比如导致能量差距的相互作用，视为一种好处，而不是诅咒。 Rey说：“在测量科学中，相互作用通常是不好的。但在这里，当相互作用很强时，它们可以帮助你。间隙保护系统——一切都在流动。”。“在这个想法的核心，你可以有一些永远振荡的东西。” Thompson补充道，拥有永远振荡的东西是量子技术的梦想，因为这将使传感器更好地工作更长时间。就像超导体一样，量子传感器中的原子、光子和电子组需要保持同步或相干才能工作，我们不希望它们变成量子大坑或“去相位”。 Thompson说：“我很高兴我们观察到的一个动力学相位可以用来保护量子光学相干性不受去相位的影响。例如，这可能有一天会让光学原子钟运行得更长。”。“它代表了一种提高量子传感器精度和灵敏度的全新方式，这是量子计量学或测量科学的前沿课题。我们希望利用众多原子，利用相互作用构建更好的传感器。”
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  • 《美国费米国家加速器实验室（FNAL）超导量子材料和系统中心（SQMS）研究人员在传输量子比特研究方面取得进展》
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-06-12
    • 近日，美国能源部费米国家加速器实验室超导量子材料与系统中心的科学家和工程师，?已经以0.6毫秒的记录值实现了超导transmon量子位寿命的可重复改进。这一结果是通过一种创新的材料技术实现的，该技术消除了器件中的一个主要损耗源。 这些结果已发表在《Nature Partner Journal Quantum Information》期刊上。 量子器件如量子位对于存储和操纵量子信息至关重要。量子位的寿命，即相干时间，决定了在错误发生之前数据可以存储和处理多长时间。这种现象被称为量子退相干，是操作量子处理器和传感器的关键障碍。 这种被称为“表面封装”的新工艺在制造过程中保护量子位的关键层，并防止在这些器件的表面和界面形成有问题的“有损”氧化物。通过仔细研究和比较各种材料和沉积技术，SQMS研究人员研究了不同的氧化物，这些氧化物可以延长量子位的寿命，减少损耗。 费米实验室的高级科学家、SQMS中心量子技术推进负责人Alexander Romanenko说：“SQMS正在突破量子位性能的极限。”。“这些努力表明，对工艺和材料进行系统审查，并首先解决最重要的问题，是推动量子位相干性的关键。追求器件制造和表征，与材料科学携手合作，是深化我们对损耗机制的科学理解，并在未来改进量子器件的正确方法。” 量子位最大的障碍：相干时间 量子位有很多种类型。量子计算机的这些基本构建块处理信息的方式与经典计算机不同，而且可能更快。量子位存储量子信息的时间越长，它在量子计算机中的应用潜力就越大。 自2020年成立以来，SQMS研究团队一直致力于了解transmon量子位中误差和退相干的来源。这种类型的量子位在由衬底（如硅或蓝宝石）顶部的金属铌层组成的芯片上图案化。许多人认为这些超导量子位是量子计算机最先进的平台。美国和世界各地的科技公司也在探索它们。 然而，科学家们仍然必须克服一些挑战，量子计算机才能实现他们解决以前无法解决的问题的承诺。用于创建这些量子位的材料的特定特性可能导致量子信息的退相干。在SQMS，对这些特性和损失缓解策略进行更深入的科学理解是一个活跃的研究领域。 为了使量子位使用寿命更长，请关注材料 研究transmon量子位损耗的SQMS科学家指出，铌表面是罪魁祸首。这些量子位是在真空中制造的，但当暴露在空气中时，铌表面会形成氧化物。尽管这个氧化物层很薄——只有大约5纳米——但它是能量损失的主要来源，并导致更短的相干时间。 Romanenko说：“我们之前的测量表明，铌是这些量子位的最佳超导体。虽然金属损耗接近零，但铌表面氧化物是有问题的，也是这些电路损耗的主要驱动因素。”。 SQMS的科学家们建议在制造过程中对铌进行封装，使其永远不会暴露在空气中，因此不会形成氧化物。虽然他们对哪种材料最适合封盖有一个假设，但确定最佳材料需要进行详细研究。因此，他们用不同的材料，包括铝、钽、氮化钛和金，系统地测试了这项技术。 每次尝试覆盖层时，SQMS的科学家都会在费米实验室、埃姆斯国家实验室、西北大学和坦普尔大学的材料科学实验室使用几种先进的表征技术分析材料。量子比特的性能是在费米实验室SQMS量子车库的稀释冰箱内测量的。这种低温设备将量子位冷却到绝对零度以上一点点。结果表明，与没有覆盖层（包含氧化铌层）的样品相比，研究人员可以制备出相干提高2到5倍的量子位。 研究小组发现，封端过程提高了研究中探索的所有材料的一致性时间。在这些材料中，钽和金被证明是实现更高相干时间的最有效材料，平均相干时间为0.3毫秒，最大相干时间高达0.6毫秒。这些结果进一步揭示了这些量子位中损耗的性质、层次和机制。发现它们是由非晶氧化物和界面的存在所驱动的。 “在制造量子位时，有许多或多或少隐藏的变量会影响性能，”费米实验室的科学家、SQMS纳米制造小组和工作组负责人Mustafa Bal说。“这是第一次在不同的制造设施中，在固定几何形状的芯片上，一次非常仔细地比较一种材料变化和一种工艺变化。这种方法确保了我们开发出可重复的技术来提高量子位的性能。” 连贯时间：我们已经走了多远 作为SQMS中心国家纳米制造工作组的一部分，这些团队在不同的设施中制造和测试量子位。费米实验室领导了由Bal领导的SQMS纳米制造小组，在芝加哥大学普利兹克纳米制造厂制造量子位。其他设施包括拥有量子铸造厂的量子计算公司Rigetti Computing和美国国家标准与技术研究所博尔德实验室。两者都是SQMS中心的旗舰合作伙伴。在Rigetti的商业铸造厂制造芯片证明，该技术易于在行业中复制和扩展。 Rigetti计算机公司量子系统高级副总裁Andrew Bestwick表示：“在Rigetti计算公司，我们希望制造尽可能好的超导量子位，以制造尽可能最好的量子计算机，而以可复制的方式延长量子位的寿命一直是最困难的问题之一。”。“这是该领域能够在二维芯片上实现的领先的transmon相干时间之一。最重要的是，这项研究以对量子位损耗的科学理解为指导，从而在不同实验室和我们的制造设施中实现了再现性。” 在NIST，科学家们对使用量子技术对光子、微波辐射和电压进行基本测量感兴趣。“这是一个伟大的团队努力，也是一个很好的旗帜，它表明了我们已经走了多远，也表明了我们仍然面临的挑战，”NIST物理学家Peter Hopkins说，他领导着超导电子小组，也是SQMS中心国家纳米制造工作组的主要成员。 在这项工作之后，SQMS的研究人员继续进一步推动量子位的性能前沿。下一步包括设计创造性和稳健的纳米制造解决方案，将这项技术应用于其他transmon量子位表面，以消除这些器件中存在的所有损耗界面。在其上制备这些量子位的底层衬底也代表了下一个主要的损耗源。SQMS的研究人员已经在努力研究和开发适合量子应用的更好的硅片或其他低损耗衬底。 此外，SQMS的科学家们正在努力确保相干研究的这些进展能够在具有几个互连量子位的更复杂的芯片架构中得到保留。 SQMS量子技术路线图 鉴于SQMS中心合作的广度，该中心的愿景和使命是多重的。研究人员试图提高量子计算机构建块的性能，并将这些创新应用于量子处理器的中型原型中。 在SQMS，两个主要的超导量子计算平台正在探索中：基于2D传输量子比特芯片和基于3D腔的架构。对于基于芯片的处理器，SQMS研究人员与Rigetti等行业合作伙伴携手合作，以提高这些平台的性能和可扩展性。 目前，来自费米实验室和里盖蒂的SQMS研究人员已经联合开发了一种9量子位处理器，该处理器融合了这些表面封装的进步。该芯片正在费米实验室的SQMS量子车库中安装。它的表现将在未来几周内进行评估和基准测试。 对于基于3D腔的平台，费米实验室的科学家们一直在努力将这些量子位与超导射频腔集成。科学家们最初为粒子加速器开发了这些空腔，费米实验室在制造世界上最好的SRF空腔方面积累了数十年的经验，证明了光子寿命长达2秒。当与transmon量子位结合时，这些腔也可以用作量子计算平台的构建块。这种方法有望实现更好的一致性、可扩展性和量子位连接性。到目前为止，费米实验室的科学家已经在这些腔-量子位组合系统中实现了长达几毫秒的相干。 Romanenko说：“我们知道如何制造世界上最好的空腔，但费米实验室正在建设的3D平台的成功在很大程度上也取决于我们能在多大程度上提高这些用于控制和操纵空腔中量子态的传输量子比特的性能。”。“所以，这有点一举两得。在我们推动转型3D技术的同时，我们还与业界合作，在基于2D芯片的量子计算平台上取得重要进展。” 超导量子材料与系统中心是美国能源部五个国家量子信息科学研究中心之一。SQMS由费米国家加速器实验室领导，由30多个合作机构——国家实验室、学术界和工业界——共同努力，在量子信息科学领域取得变革性进展。该中心利用费米实验室在建造复杂粒子加速器方面的专业知识，以最先进的量子位和超导技术为基础，设计多量子位量子处理器平台。SQMS将与嵌入式行业合作伙伴携手合作，在费米实验室建造一台量子计算机和新的量子传感器，这将带来前所未有的计算机会。
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