Cuasipartículas localizadas en un fluxonium con inductores cinéticos amorfos casi bidimensionales

Por qué importan los pequeños defectos en los superconductores

Los circuitos superconductores son candidatos principales para construir ordenadores cuánticos y detectores ultrasensibles, pero son vulnerables a perturbaciones diminutas que consumen su energía. Este artículo explora cómo se comporta un material prometedor, el silicuro de tungsteno (WSi), dentro de circuitos cuánticos de última generación, y muestra que las microscópicas “partículas errantes” dentro del superconductor son una fuente clave de pérdida. Entender y controlar a estos invisibles causantes de problemas es crucial para construir tecnologías cuánticas más fiables.

Fabricar hilos que se comportan como resortes potentes

En la electrónica corriente, los inductores son bobinas de alambre que almacenan energía en campos magnéticos. En ciertos materiales superconductores, sin embargo, la energía también puede almacenarse en la inercia de los pares de electrones que fluyen sin resistencia, una contribución conocida como inductancia cinética. Superconductores desordenados como el WSi pueden proporcionar inductancias cinéticas extremadamente grandes en una huella muy reducida, lo cual es atractivo para circuitos cuánticos compactos y fuertemente no lineales. El WSi también es amorfo y estructuralmente uniforme, lo que lo hace compatible con la fabricación moderna de chips y atractivo tanto para detectores de fotones individuales de alto rendimiento como para cubits superconductores.

Construir circuitos de prueba con películas ultrafinas de WSi

Los investigadores depositaron películas de WSi muy finas —solo unos pocos nanómetros de espesor— sobre obleas de zafiro y las pateron en hilos largos y estrechos. Estos hilos sirvieron como los elementos inductivos en dos tipos de circuitos de microondas: resonadores, que son pequeñas estructuras resonantes usadas ampliamente en hardware cuántico, y cubits fluxonium, un tipo de bit cuántico que combina una unión Josephson con un inductor grande. Manteniendo fija la composición del WSi y variando solo el espesor de la película y la geometría, pudieron cambiar de forma sistemática la inductancia cinética y el grado de desorden mientras medían cuánto energía perdían los circuitos.

Rastreando la pérdida de energía hasta cuasipartículas atrapadas

Cuando el equipo midió los resonadores a temperaturas muy bajas y baja potencia, hallaron factores de calidad internos entre aproximadamente diez mil y cien mil —comparables a otros superconductores desordenados usados en dispositivos cuánticos. Varios indicios apuntaron en contra de defectos en las capas aislantes y a favor de excitaciones en el propio WSi. Dispositivos con exposiciones muy distintas del campo eléctrico sobre las superficies de WSi mostraron pérdidas similares, y hacer la película más delgada (y más desordenada) claramente empeoró el rendimiento. Además, la pérdida disminuía de forma sostenida al aumentar la frecuencia de resonancia, una firma esperada cuando dominan las cuasipartículas —pares de Cooper rotos que transportan energía en un superconductor.

Al variar la potencia de microondas, los autores observaron que la pérdida del resonador inicialmente mejoraba al aumentar el número de fotones circulantes, y luego empeoraba cerca del inicio del comportamiento no lineal. Esta tendencia no monotónica concuerda con un panorama en el que muchas cuasipartículas están atrapadas en “bolsillos” poco profundos creados por fluctuaciones espaciales de la brecha superconductora en una película desordenada. Una excitación de microondas suave sacude a algunas de estas cuasipartículas, permitiendo que se recombinen y así reduzcan su número y la pérdida. A potencias mayores, la corriente se hace lo bastante fuerte como para romper pares de Cooper adicionales, creando más cuasipartículas y aumentando nuevamente la disipación.

Probar WSi dentro de cubits operativos

Para ver si la misma física aparece en cubits reales, el equipo incorporó hilos largos de WSi como inductores en dos dispositivos fluxonium con distintos espesores de película pero inductancia nominal comparable. Trazaron los niveles de energía de cada cubit en función del flujo magnético y midieron luego cuánto duraba el primer estado excitado (el tiempo de relajación, T1) a varias frecuencias del cubit. En ambos dispositivos, frecuencias de cubit más altas correspondían a vidas útiles más largas, y el cubit fabricado con la película de WSi más delgada y más desordenada decayó más rápido en general. Un modelado detallado de varios mecanismos candidatos de pérdida mostró que la pérdida inductiva por cuasipartículas en los hilos de WSi podía explicar tanto la dependencia con la frecuencia como la magnitud de las vidas observadas, con densidades de cuasipartículas similares a las inferidas a partir de los resonadores.

Qué significa esto para el hardware cuántico futuro

Las medidas combinadas en resonadores y cubits dibujan un panorama coherente: en películas de WSi ultrafinas y desordenadas, las cuasipartículas localizadas son la fuente dominante de pérdida de energía en microondas. Aunque esto limita el rendimiento de estos circuitos cuánticos de primera generación basados en WSi, también proporciona una hoja de ruta clara para mejorar. Estrategias como añadir trampas dedicadas para cuasipartículas, reducir la dependencia del circuito respecto al elemento inductivo pérdidas, y ajustar la composición y el espesor de la película podrían llevar a cubits con vidas más largas. Dado que el WSi ya es un material habitual en detectores de fotones individuales, demostrar su integración con cubits fluxonium abre la puerta a chips híbridos donde detectores y procesadores cuánticos compartan la misma plataforma material.

Cita: 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

Palabras clave: cubits superconductores, inductancia cinética, cuasipartículas, silicuro de tungsteno, fluxonium