Lokalisierte Quasiteilchen in einem Fluxonium mit quasi-zweidimensionalen amorphen kinetischen Induktoren

Warum winzige Mängel in Supraleitern wichtig sind

Supraleitende Schaltkreise zählen zu den vielversprechendsten Kandidaten für Quantencomputer und hochempfindliche Detektoren, sind jedoch anfällig für winzige Störungen, die ihre Energie entziehen. Diese Arbeit untersucht, wie sich ein vielversprechendes Material, Wolfram‑Silizid (WSi), in modernen Quanten­schaltkreisen verhält, und zeigt, dass mikroskopische „fremde Teilchen“ im Supraleiter eine wichtige Verlustquelle darstellen. Das Verständnis und die Kontrolle dieser verborgenen Störer sind entscheidend für den Bau zuverlässigerer Quantentechnologien.

Drahtstrukturen, die sich wie starke Federn verhalten

In der gewöhnlichen Elektronik sind Induktoren Drahtwicklungen, die Energie im Magnetfeld speichern. In speziellen supraleitenden Materialien kann Energie jedoch auch in der Trägheit von Elektronenpaaren gespeichert werden, die widerstandsfrei fließen — ein Beitrag, der als kinetische Induktivität bezeichnet wird. Ungeordnete Supraleiter wie WSi können sehr große kinetische Induktivitäten auf kleinem Raum liefern, was sie für kompakte, stark nichtlineare Quantenschaltungen attraktiv macht. WSi ist zudem amorph und strukturell einheitlich, was es mit modernen Chip‑Fertigungsverfahren kompatibel und sowohl für leistungsfähige Einzelphotonendetektoren als auch für supraleitende Qubits interessant macht.

Testschaltungen aus ultradünnen WSi‑Filmen

Die Forschenden deposierten sehr dünne WSi‑Schichten — nur wenige Nanometer dick — auf Saphirchips und strukturierten sie zu langen, schmalen Leitern. Diese Leiter dienten als induktive Bauelemente in zwei Arten von Mikrowellenschaltungen: Resonatoren, winzige „klingende“ Strukturen, die in der Quantenhardware weit verbreitet sind, und Fluxonium‑Qubits, eine Art Qubit, das eine Josephson‑Kontakt mit einem großen Induktor kombiniert. Indem sie die WSi‑Zusammensetzung konstant hielten und nur die Schichtdicke sowie die Geometrie variierten, konnten sie die kinetische Induktivität und den Grad der Unordnung systematisch verändern und gleichzeitig den Energieverlust der Schaltungen messen.

Energieverluste zurückverfolgen zu gefangenen Quasiteilchen

Als das Team die Resonatoren bei sehr niedrigen Temperaturen und bei niedriger Leistung vermess, fanden sie interne Gütefaktoren zwischen etwa zehntausend und hunderttausend — vergleichbar mit anderen ungeordneten Supraleitern, die in Quantenbauteilen verwendet werden. Mehrere Hinweise sprachen gegen Defekte in isolierenden Schichten und für Anregungen im WSi selbst. Bauteile mit sehr unterschiedlicher elektrischer Feldbelastung der WSi‑Oberflächen zeigten ähnliche Verluste, und das Dünnermachen der Schicht (und damit größere Unordnung) verschlechterte die Leistung deutlich. Außerdem nahm der Verlust beständig mit steigender Resonanzfrequenz ab, ein Kennzeichen, das zu erwarten ist, wenn Quasiteilchen — gebrochene Cooperpaare, die Energie in einem Supraleiter tragen — dominieren.

Durch Variation der Mikrowellenleistung beobachteten die Autorinnen und Autoren, dass sich der Resonatorverlust zunächst verbesserte, als die zirkulierende Photonenanzahl anstieg, dann aber wieder verschlechterte, sobald nichtlineares Verhalten einsetzte. Dieser nichtmonotone Verlauf passt zu einem Bild, in dem viele Quasiteilchen in flachen „Taschen“ gefangen sind, die durch räumliche Schwankungen der supraleitenden Lücke in einem ungeordneten Film entstehen. Eine sanfte Mikrowellenanregung rüttelt einige dieser Quasiteilchen los, sodass sie rekombinieren können, wodurch ihre Zahl und damit der Verlust abnimmt. Bei stärkerer Anregung wird der Strom ausreichend groß, um zusätzliche Cooperpaare zu brechen, mehr Quasiteilchen zu erzeugen und die Dissipation erneut zu erhöhen.

WSi in funktionierenden Qubits testen

Um zu überprüfen, ob dieselbe Physik in realen Qubits auftritt, integrierte das Team lange WSi‑Leiter als Induktoren in zwei Fluxonium‑Geräte mit unterschiedlicher Schichtdicke, aber vergleichbarer nomineller Induktivität. Sie kartierten die Energieniveaus jedes Qubits als Funktion des magnetischen Flusses und maßen dann, wie lange der erste angeregte Zustand überlebte (die Relaxationszeit T1) bei verschiedenen Qubit‑Frequenzen. In beiden Geräten gingen höhere Qubit‑Frequenzen mit längeren Lebensdauern einher, und das Qubit aus dem dünneren, stärker ungeordneten WSi‑Film zerfiel insgesamt schneller. Detaillierte Modellierungen mehrerer möglicher Verlustmechanismen zeigten, dass induktive Verluste durch Quasiteilchen in den WSi‑Leitern sowohl die Frequenzabhängigkeit als auch das Ausmaß der beobachteten Lebensdauern erklären können, mit Quasiteilchendichten ähnlich denen, die aus den Resonatoren abgeleitet wurden.

Was das für zukünftige Quantenhardware bedeutet

Die kombinierten Resonator‑ und Qubitmessungen zeichnen ein einheitliches Bild: In ultradünnen ungeordneten WSi‑Filmen sind lokalisierte Quasiteilchen die dominierende Quelle für Mikrowellenenergieverluste. Während dies die Leistung dieser ersten Generation von WSi‑basierten Quantenschaltungen begrenzt, liefert es zugleich einen klaren Fahrplan zur Verbesserung. Strategien wie das Hinzufügen spezialisierter Quasiteilchenfallen, die Verringerung der Abhängigkeit der Schaltung von dem verlustbehafteten induktiven Element sowie das Abstimmen der Zusammensetzung und Dicke der Schicht könnten alle zu länger lebenden Qubits führen. Da WSi bereits ein Arbeitspferd für Einzelphotonendetektoren ist, eröffnet die Demonstration seiner Integration in Fluxonium‑Qubits die Möglichkeit hybrider Chips, auf denen Detektoren und Quantenprozessoren dieselbe Materialplattform teilen.

Zitation: Larson, T.F.Q., Jones, S.G., Kalmár, T. et al. Localized quasiparticles in a fluxonium with quasi-two-dimensional amorphous kinetic inductors. Nat Commun 17, 3022 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69709-1

Schlüsselwörter: supraleitende Qubits, kinetische Induktivität, Quasiteilchen, Wolfram-Silizid, Fluxonium