Quasiparticules localisées dans un fluxonium avec des inductances cinétiques amorphes quasi-2D

Pourquoi de minuscules défauts dans les supraconducteurs comptent

Les circuits supraconducteurs sont des candidats de premier plan pour construire des ordinateurs quantiques et des détecteurs ultrasensibles, mais ils restent vulnérables à de petites perturbations qui dissipent leur énergie. Cet article examine le comportement d’un matériau prometteur, le siliciure de tungstène (WSi), dans des circuits quantiques de pointe, et montre que des « particules errantes » microscopiques à l’intérieur du supraconducteur constituent une source majeure de perte. Comprendre et contrôler ces éléments perturbateurs cachés est essentiel pour concevoir des technologies quantiques plus fiables.

Fabriquer des fils qui se comportent comme de puissants ressorts

Dans l’électronique classique, les inductances sont des bobines de fil qui stockent l’énergie dans des champs magnétiques. Dans certains matériaux supraconducteurs, l’énergie peut aussi être stockée dans l’inertie des paires d’électrons circulant sans résistance, une contribution appelée inductance cinétique. Les supraconducteurs désordonnés tels que le WSi peuvent fournir une inductance cinétique extrêmement élevée dans un encombrement très réduit, ce qui est attractif pour des circuits quantiques compacts et fortement non linéaires. Le WSi est aussi amorphe et structurellement uniforme, ce qui le rend compatible avec la fabrication de puces modernes et intéressant tant pour des détecteurs de photons uniques haute performance que pour des qubits supraconducteurs.

Construire des circuits tests à partir de films WSi ultra-fins

Les chercheurs ont déposé des films de WSi très fins — seulement quelques nanomètres d’épaisseur — sur des puces en saphir et les ont structurés en fils longs et étroits. Ces fils ont servi d’éléments inductifs dans deux types de circuits micro-ondes : des résonateurs, de petites structures « sonnant » largement utilisées dans le matériel quantique, et des qubits fluxonium, un type de bit quantique qui combine une jonction Josephson avec une grande inductance. En maintenant la composition du WSi constante et en ne faisant varier que l’épaisseur du film et la géométrie, ils ont pu modifier systématiquement l’inductance cinétique et le degré de désordre tout en mesurant les pertes d’énergie des circuits.

Relier la perte d’énergie à des quasiparticules piégées

Lorsque l’équipe a mesuré les résonateurs à très basse température et à faible puissance, elle a trouvé des facteurs de qualité internes d’environ dix mille à cent mille — comparables à d’autres supraconducteurs désordonnés utilisés dans les dispositifs quantiques. Plusieurs indices écartent les défauts dans les couches isolantes et pointent vers des excitations dans le WSi lui‑même. Des dispositifs exposant la surface du WSi à des champs électriques très différents montraient des pertes similaires, et l’amincissement du film (augmentant le désordre) dégradait clairement les performances. De plus, la perte diminuait régulièrement avec l’augmentation de la fréquence de résonance, une signature attendue lorsque les quasiparticules — paires de Cooper rompues qui transportent de l’énergie dans un supraconducteur — dominent la dissipation.

En faisant varier la puissance micro-ondes, les auteurs ont observé que la perte du résonateur s’améliorait initialement lorsque le nombre de photons en circulation augmentait, puis se détériorait à nouveau près du seuil de comportement non linéaire. Cette tendance non monotone correspond à un scénario où de nombreux quasiparticules sont piégés dans des « poches » peu profondes créées par des fluctuations spatiales du gap supraconducteur dans un film désordonné. Une excitation micro-ondes modérée déloge une partie de ces quasiparticules, leur permettant de se recombiner et ainsi de réduire leur nombre et la perte. À plus forte excitation, le courant devient suffisamment intense pour rompre davantage de paires de Cooper, créant plus de quasiparticules et augmentant de nouveau la dissipation.

Tester le WSi à l’intérieur de qubits opérationnels

Pour vérifier si la même physique se manifeste dans de vrais qubits, l’équipe a incorporé de longs fils de WSi comme inductances dans deux dispositifs fluxonium avec des épaisseurs de film différentes mais une inductance nominale comparable. Ils ont cartographié les niveaux d’énergie de chaque qubit en fonction du flux magnétique puis mesuré combien de temps l’état excité premier survivait (le temps de relaxation, T1) à différentes fréquences de qubit. Dans les deux dispositifs, des fréquences de qubit plus élevées correspondaient à des durées de vie plus longues, et le qubit fabriqué à partir du film WSi plus fin et plus désordonné décroissait plus rapidement dans l’ensemble. Une modélisation détaillée de plusieurs mécanismes de perte candidats a montré que la perte inductive due aux quasiparticules dans les fils WSi pouvait expliquer à la fois la dépendance en fréquence et l’ordre de grandeur des temps de vie observés, avec des densités de quasiparticules similaires à celles déduites des résonateurs.

Ce que cela signifie pour le matériel quantique futur

Les mesures combinées sur résonateurs et qubits dressent un tableau cohérent : dans des films WSi ultra-fins et désordonnés, des quasiparticules localisées constituent la principale source de perte d’énergie micro-ondes. Bien que cela limite les performances de ces circuits quantiques WSi de première génération, cela fournit aussi une feuille de route claire pour l’amélioration. Des stratégies telles que l’ajout de pièges à quasiparticules dédiés, la réduction de la dépendance du circuit à l’élément inductif dissipatif, et l’ajustement de la composition et de l’épaisseur du film pourraient toutes conduire à des qubits de durée de vie plus longue. Étant donné que le WSi est déjà un matériau de référence pour les détecteurs de photons uniques, démontrer son intégration avec des qubits fluxonium ouvre la voie à des puces hybrides où détecteurs et processeurs quantiques partagent la même plateforme matérielle.

Citation: 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

Mots-clés: qubits supraconducteurs, inductance cinétique, quasiparticules, siliciure de tungstène, fluxonium