황갈색의 놀라운 이점 이해하기

과학자들은 손실을 이해하고 큐비트 성능을 개선하기 위해 탄탈륨 표면 산화물의 화학적 프로필을 해독합니다.

DOE/브룩헤이븐 국립 연구소

이미지: X선 광전자 분광법을 사용하여 특성을 분석하는 탄탈륨 산화물(TaOx)더보기

출처: 브룩헤이븐 국립연구소

UPTON, NY—케이크 굽기, 집을 짓기, 양자 장치 개발 등 최종 제품의 품질은 재료나 기본 재료에 따라 크게 달라집니다. 양자컴퓨터의 기초인 초전도 큐비트의 성능을 향상시키기 위해 노력하는 연구자들은 큐비트의 일관성 수명을 늘리기 위해 다양한 기본 물질을 사용하여 실험을 진행해 왔습니다. 일관성 시간은 큐비트가 양자 정보를 유지하는 기간을 나타내는 척도이므로 성능의 기본 척도입니다. 최근 과학자들은 초전도 큐비트에 탄탈륨을 사용하면 성능이 더 좋아진다는 사실을 발견했지만 지금까지 아무도 그 이유를 알 수 없었습니다.

기능성 나노물질 센터(CFN), 국립 싱크로트론 광원 II(NSLS-II), 양자 이점 공동 설계 센터(C2QA) 및 프린스턴 대학의 과학자들은 이러한 큐비트가 더 나은 성능을 발휘하는 근본적인 이유를 디코딩하여 조사했습니다. 탄탈륨의 화학적 프로필. 최근 Advanced Science 저널에 게재된 이 연구의 결과는 미래에 더 나은 큐비트를 설계하는 데 필요한 핵심 지식을 제공할 것입니다. CFN 및 NSLS-II는 미국 에너지부(DOE) 브룩헤이븐 국립 연구소의 과학 사용자 시설 사무국입니다. C2QA는 브룩헤이븐이 주도하는 국가 양자정보과학 연구센터로, 프린스턴 대학교가 핵심 파트너이다.

탄탈륨은 독특하고 다재다능한 금속입니다. 밀도가 높고 단단하며 작업하기 쉽습니다. 탄탈륨은 또한 녹는점이 높고 부식에 강하므로 많은 상업용 응용 분야에 유용합니다. 또한, 탄탈륨은 초전도체입니다. 즉, 충분히 낮은 온도로 냉각되면 전기 저항이 없어 결과적으로 에너지 손실 없이 전류를 전달할 수 있습니다.

탄탈륨 기반 초전도 큐비트는 0.5밀리초가 넘는 기록적인 긴 수명을 보여주었습니다. 이는 현재 대규모 양자 프로세서에 배치된 니오븀과 알루미늄으로 만든 큐비트의 수명보다 5배 더 깁니다.

이러한 특성으로 인해 탄탈륨은 더 나은 큐비트를 구축하기 위한 탁월한 후보 재료가 됩니다. 그럼에도 불구하고 초전도 양자 컴퓨터를 개선하려는 목표는 큐비트 수명을 제한하는 프로세스, 즉 결맞음(decoherence) 프로세스에 대한 이해 부족으로 인해 방해를 받았습니다. 일반적으로 소음과 유전 손실의 미세한 원인이 원인인 것으로 생각됩니다. 그러나 과학자들은 정확한 이유와 방법을 확신하지 못합니다.

프린스턴 대학교 전기 및 컴퓨터 공학 부교수이자 C2QA의 재료 추력 리더인 나탈리 드 레온(Nathalie de Leon)은 "이 논문의 작업은 큐비트 제조의 거대한 과제를 해결하기 위한 두 가지 병렬 연구 중 하나입니다."라고 설명했습니다. "아무도 관찰된 모든 행동을 설명하고 그들의 모델이 특정 장치를 제한한다는 것을 보여줄 수 있는 미시적이고 원자적인 손실 모델을 제안한 적이 없습니다. 이를 위해서는 정밀하고 정량적인 측정 기술과 정교한 데이터 분석이 필요합니다."

큐비트 결맞음의 원인을 더 잘 파악하기 위해 Princeton과 CFN의 과학자들은 사파이어 기판에 탄탈륨 필름을 성장시키고 화학적으로 처리했습니다. 그런 다음 이 샘플을 NSLS-II의 Spectroscopy Soft and Tender Beamlines(SST-1 및 SST-2)로 가져가 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하여 표면에 형성된 탄탈륨 산화물을 연구했습니다. XPS는 X선을 사용하여 샘플에서 전자를 쫓아내고 샘플 표면 근처 원자의 화학적 특성과 전자 상태에 대한 단서를 제공합니다. 과학자들은 이 탄탈륨 산화물 층의 두께와 화학적 성질이 큐비트 일관성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다고 가정했습니다. 탄탈륨은 큐비트에서 더 일반적으로 사용되는 니오브에 비해 더 얇은 산화물 층을 갖기 때문입니다.