Dolar 9,3218
Euro 10,8357
Altın 529,53
BİST 1.418
Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 16 °C
Sağanak Yağışlı

Malzeme Özellikleri ve Süper İletken Qubit Performansı Arasındaki Noktaları Birleştirme

02.10.2021
16
Malzeme Özellikleri ve Süper İletken Qubit Performansı Arasındaki Noktaları Birleştirme

Bilim adamları, Princeton Üniversitesi’nde süper iletken kübit cihazlarına yapılan niyobyum ince filmlerin özelliklerini karakterize etmek için Brookhaven Lab’ın Fonksiyonel Nanomalzemeler Merkezi ve Ulusal Synchrotron Işık Kaynağı II’de transmisyon elektron mikroskobu ve x-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) gerçekleştirdi. Bu filmlerden birinin bir transmisyon elektron mikroskobu görüntüsü arka planda gösterilmektedir; XPS spektrumları (film derinliğinin bir fonksiyonu olarak niyobyum metali ve çeşitli niyobyum oksitlerin nispi konsantrasyonlarını temsil eden renkli çizgiler) ve bir kübit cihazının bir gösterimi bu görüntünün üzerine bindirilmiştir. Bu ve diğer mikroskopi ve spektroskopi çalışmaları sayesinde ekip, kuantum bilgisinin kaybına neden olabilecek atomik ölçekli yapısal ve yüzey kimyası kusurlarını belirledi – pratik kuantum bilgisayarları etkinleştirmede bir engel. Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı

Brookhaven Lab ve Princeton bilim adamları, atom ölçeğinde kuantum bilgi kaybının kaynaklarını belirlemek için bir araya geldi.

Süper iletken kuantum bilgi bitlerini (kübitler) inceleyen mühendisler ve malzeme bilimcileri kuantum hesaplama Çift elektronların sürtünmesiz akışına dayanan malzeme platformu, kübit bilgi kaybının mikroskobik kaynaklarına dair ipuçları topladı. Bu kayıp, zorlu hesaplamaları çalıştırmak için milyonlarca kübiti bir araya getirebilen kuantum bilgisayarların gerçekleştirilmesindeki en büyük engellerden biridir. Bu tür büyük ölçekli, hataya dayanıklı sistemler, ilaç geliştirme için karmaşık molekülleri simüle edebilir, temiz enerji için yeni malzemelerin keşfini hızlandırabilir ve günümüzün çoğu için imkansız olan veya pratik olmayan bir zaman (milyonlarca yıl) alan diğer görevleri yerine getirebilir. güçlü süper bilgisayarlar

Kübit bilgi kaybına katkıda bulunan atomik ölçekli kusurların doğasına dair bir anlayış hala büyük ölçüde eksiktir. Ekip, her ikisi de ABD Enerji Bakanlığı olan Fonksiyonel Nanomalzemeler Merkezi’nde (CFN) ve Ulusal Synchrotron Işık Kaynağı II’de (NSLS-II) son teknoloji karakterizasyon yeteneklerini kullanarak malzeme özellikleri ve kübit performansı arasındaki bu boşluğu kapatmaya yardımcı oldu ( DOE) Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Bilim Kullanıcı Tesisleri Ofisi. Sonuçları, süper iletken niyobyum kübitlerinde kayıplara neden olabilecek yapısal ve yüzey kimyası kusurlarını saptadı.

Anjali Premkumar

Anjali Premkumar

Houck Laboratuarı’nda dördüncü sınıf yüksek lisans öğrencisi olan Anjali Premkumar, “Süper iletken kübitler umut verici bir kuantum hesaplama platformudur, çünkü özelliklerini düzenleyebilir ve normal bilgisayarlar yapmak için kullanılan aynı araçları kullanmalarını sağlayabiliriz” dedi. Princeton Üniversitesi ve araştırmayı açıklayan İletişim Materyalleri makalesinin ilk yazarı. “Ancak, diğer platformlardan daha kısa tutarlılık süreleri var.”

Başka bir deyişle, bilgiyi kaybetmeden önce çok uzun süre elinde tutamazlar. Tutarlılık süreleri son zamanlarda tekli kübitler için mikrosaniyeden milisaniyeye yükselmiş olsa da, bu süreler birden fazla kübit birbirine dizildiğinde önemli ölçüde azalır.

Premkumar, “Qubit tutarlılığı, süper iletkenlerin kalitesi ve metal havadaki oksijenle temas ettiğinde kaçınılmaz olarak üzerlerinde büyüyecek oksitler ile sınırlıdır” diye devam etti. “Ancak, qubit mühendisleri olarak, malzemelerimizi derinlemesine karakterize etmedik. Burada ilk kez, malzemelerimizin yapısına ve kimyasına sofistike araçlarla dikkatle bakabilen malzeme uzmanlarıyla işbirliği yaptık.”

Bu işbirliği, Kuantum Avantajı Ortak Tasarım Merkezi’nin (C2QA), Ulusal Kuantum Girişimi’ni desteklemek için 2020’de kurulan beş Ulusal Kuantum Bilgi Bilim Merkezinden biri. Brookhaven Lab, C tarafından yönetiliyor2QA, kuantum donanım ve yazılımla ilgili performans sorunlarını çözmek için donanım ve yazılım mühendislerini, fizikçileri, malzeme bilimcilerini, teorisyenlerini ve ulusal laboratuvarlar, üniversiteler ve endüstrideki diğer uzmanları bir araya getirir. Malzemeler, cihazlar ve yazılım ortak tasarım çalışmaları sayesinde C2QA ekibi, tutarlılık sürelerini uzatmak, daha sağlam kübitler oluşturmak için cihazlar tasarlamak, belirli bilimsel uygulamaları hedeflemek için algoritmaları optimize etmek ve hata düzeltme çözümleri geliştirmek için malzeme özelliklerini anlamaya ve nihayetinde kontrol etmeye çalışır.

Andrew Houck

Andrew Houck

Bu çalışmada ekip, üç farklı püskürtme tekniği ile ince niyobyum metal filmleri üretti. Püskürtmede, enerji yüklü parçacıklar, istenen malzemeyi içeren bir hedefe ateşlenir; atomlar hedef malzemeden fırlatılır ve yakındaki bir alt tabakaya iner. Houck Laboratuarı üyeleri standart (doğru akım) püskürtme gerçekleştirirken, Angstrom Mühendislik, hedefin kısa yüksek voltajlı enerji patlamaları ile vurulduğu, uzman oldukları yeni bir püskürtme biçimini (yüksek güçlü darbeli magnetron püskürtme veya HiPIMS) uyguladı. . Angstrom, iki HiPIMS varyasyonu gerçekleştirdi: normal ve optimize edilmiş bir güç ve hedef-substrat geometrisi ile.

Princeton’a döndüğümüzde Premkumar, püskürtülen üç filmden “transmon” kübit cihazları yaptı ve bunları bir seyreltme buzdolabına yerleştirdi. Bu buzdolabının içinde sıcaklıklar yakına kadar düşebilir. tamamen sıfır (eksi 459.67 derece Fahrenhayt), kübitleri süper iletken hale getirmek. Bu cihazlarda, süper iletken elektron çiftleri, safir üzerindeki niyobyum kapasitör pedlerine bağlı süper iletken alüminyum katmanlar arasına sıkıştırılmış alüminyum oksitten (Josephson bağlantısı) yalıtkan bir bariyer boyunca tünel açar. Elektron çiftleri bariyerin bir tarafından diğerine geçerken kübit durumu değişir. Houck Lab baş araştırmacısı ve C tarafından birlikte icat edilen Transmon kübitleri2QA Direktörü Andrew Houck, çevrelerindeki elektrik ve manyetik alanlardaki dalgalanmalara karşı oldukça duyarsız oldukları için önde gelen bir süper iletken kübit türüdür; bu tür dalgalanmalar kübit bilgi kaybına neden olabilir.

Premkumar, üç cihaz türünün her biri için, kübit durumunun sağlamlığı ile ilgili bir miktar olan enerji gevşeme süresini ölçtü.

Daha önce NSLS-II’de fizikçi ve şimdi bir kuantum araştırma bilimcisi olan Ignace Jarrige, “Enerji gevşeme süresi, kübitin ilk uyarılmış durumda ne kadar süre kaldığına ve temel duruma bozunmadan ve bilgisini kaybetmeden önce bilgiyi ne kadar süreyle kodladığına tekabül ediyor” diye açıklıyor. Bu çalışma için Brookhaven ekibine liderlik eden Amazon’da.

Ignace Jarrige

Ignace Jarrige

Her cihazın farklı dinlenme süreleri vardı. Bu farklılıkları anlamak için ekip, CFN ve NSLS-II’de mikroskopi ve spektroskopi gerçekleştirdi.

NSLS-II ışın çizgisi bilim adamları, In situ’da yumuşak x-ışınları ve Operando Yumuşak X-ışını Spektroskopisi (IOS) ışın çizgisi ve Spektroskopi Yumuşak ve İhale (SST)’de sert x-ışınları ile x-ışını fotoemisyon spektroskopisi yoluyla niyobyumun oksidasyon durumlarını belirlediler. -2) ışın çizgisi. Bu spektroskopi çalışmaları sayesinde, metal ve yüzey oksit tabakası arasında yer alan ve niyobyuma göre daha az miktarda oksijen içeren çeşitli altoksitleri tanımladılar.

Jarrige, “Niyobyumun beş farklı oksidasyon durumunu ve farklı enerji seviyelerine sahip hem sert hem de yumuşak x-ışınlarını ayırt etmek için NSLS-II’de yüksek enerji çözünürlüğüne ihtiyacımız vardı, bu durumları derinliğin bir fonksiyonu olarak profillemek için” dedi. “Yumuşak x-ışınları tarafından üretilen fotoelektronlar, yüzeyin yalnızca ilk birkaç nanometresinden kaçarken, sert x-ışınları tarafından üretilenler, filmlerin daha derinlerinden kaçabilir.”

NSLS-II Yumuşak Esnek Olmayan X-ışını Saçılımı (SIX) ışın hattında ekip, rezonans elastik olmayan x-ışını saçılımı (RIXS) yoluyla eksik oksijen atomlarına sahip noktalar belirledi. Bu tür oksijen boşlukları, kübitlerden enerji emebilen kusurlardır.

CFN’de ekip, transmisyon elektron mikroskobu ve atomik kuvvet mikroskobu kullanarak film morfolojisini görselleştirdi ve elektron enerji kaybı spektroskopisi ile film yüzeyinin yakınındaki yerel kimyasal makyajı karakterize etti.

sooyeon hwang

sooyeon hwang

CFN Elektron Mikroskobu Grubunda görevli bir bilim insanı olan ortak yazar Sooyeon Hwang, “Mikroskop görüntüleri, tanecikler (aynı yönde düzenlenmiş atomlara sahip bireysel kristal parçaları) – püskürtme tekniğine bağlı olarak daha büyük veya daha küçük boyutta gösterdi” dedi. “Taneler ne kadar küçükse, o kadar fazla tane sınırı veya farklı kristal yönelimlerinin buluştuğu arayüzler. Elektron enerji kaybı spektrumlarına göre, bir filmin sadece yüzeyinde oksitler değil, aynı zamanda filmin kendisinde de oksijen tanecik sınırlarına difüze oldu.

CFN ve NSLS-II’deki deneysel bulguları, kübit gevşeme süreleri ile tane sınırlarının sayısı ve genişliği ve yüzeye yakın altoksitlerin konsantrasyonu arasındaki korelasyonları ortaya çıkardı.

Premkumar, “Tahıl sınırları, enerjiyi dağıtabilen kusurlardır, bu nedenle çok fazlasına sahip olmak elektron taşınmasını ve dolayısıyla kübitlerin hesaplama yapma yeteneğini etkileyebilir” dedi. “Oksit kalitesi, potansiyel olarak önemli bir başka parametredir. Alt oksitler kötü çünkü elektronlar mutlu bir şekilde bir araya gelmiyor.”

Ekip, ileriye dönük olarak, C aracılığıyla qubit tutarlılığını anlamak için ortaklıklarına devam edecek.2kalite güvencesi Bir araştırma yönü, daha büyük tane boyutlarına (yani, minimum tane sınırları) ve tek bir oksidasyon durumuna sahip filmler üretmek için üretim süreçlerini optimize ederek gevşeme sürelerinin iyileştirilip iyileştirilmeyeceğini araştırmaktır. Ayrıca yüzey oksitlerinin kimyasal olarak daha homojen olduğu bilinen tantal da dahil olmak üzere diğer süper iletkenleri de keşfedecekler.

Premkumar, “Bu çalışmadan, artık kübit yapan bilim adamlarının ve bunları karakterize eden bilim adamlarının, kübit performansını sınırlayan mikroskobik mekanizmaları anlamak için nasıl işbirliği yapabileceklerine dair bir planımız var” dedi. “Diğer grupların süper iletken kübitler alanını ilerletmek için işbirlikçi yaklaşımımızdan yararlanacağını umuyoruz.”

Referans: Anjali Premkumar, Conan Weiland, Sooyeon Hwang, Berthold Jäck, Alexander PM Place, Iradwikanari Waluyo, Adrian Hunt, Valentina Bisogni, Jonathan Pelliciari, Andi Barbour, Mike S. Miller, Paola tarafından “Süper iletken kübitler için malzemelerde mikroskobik gevşeme kanalları” Russo, Fernando Camino, Kim Kisslinger, Xiao Tong, Mark S. Hybertsen, Andrew A. Houck ve Ignace Jarrige, 1 Temmuz 2021, İletişim Malzemeleri.
DOI: 10.1038 / s43246-021-00174-7

Bu çalışma, DOE Bilim Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu, Humboldt Vakfı, Ulusal Savunma Bilimi ve Mühendisliği Lisansüstü Bursu, Malzeme Araştırma Bilimi ve Mühendisliği Merkezi ve Ordu Araştırma Ofisi tarafından desteklenmiştir. Bu araştırma, bir DOE Nano Ölçekli Bilim Araştırma Merkezi olan CFN’deki Elektron Mikroskobu, Proksimal Sondalar ve Teori ve Hesaplama Tesislerinin kaynaklarını kullandı. NSLS-II’deki SST-2 ışın hattı, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü tarafından işletilmektedir.

.

Gelişmelerden zamanında haberdar olmak için Google News’te Bilim Portal’a ABONE OLUN

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.