קואזיפרטיקלים ממוּקְמִים ב־fluxonium עם אינדוקטורים קינמטיים אמורפיים בקירוב־דו־ממדיים

למה פגמים זעירים במוליכי־על חשובים

מעגלים מוליכי־על הם מועמדים מובילים לבניית מחשבים קוונטיים וחיישנים על־רגישים, אך הם פגיעים להפרעות זעירות המבזבזות את האנרגיה שלהם. מאמר זה בוחן כיצד חומר מבטיח, טונגסטן סיליציד (WSi), מתנהג בתוך מעגלים קוונטיים מתקדמים, ומראה כי "חלקיקים מסתוריים" מיקרוסקופיים בתוך המוליך־על מהווים מקור מרכזי לאובדן. הבנתם ושליטה בהם היא קריטית לבניית טכנולוגיות קוונטיות אמינות יותר.

לייצר חוטים שמתנהגים כמו קפיצים חזקים

באלקטרוניקה רגילה, אינדוקטורים הם סלילים של חוט ששומרים אנרגיה בשדות מגנטיים. בחומרים מוליכי־על מסוימים, עם זאת, אנרגיה יכולה להישמר גם באינוֹרטיה של זוגות האלקטרונים הזורמים ללא התנגדות — תרומה הידועה כאינדוקטנציה קינמטית. מוליכי־על מבולגנים כגון WSi יכולים לספק אינדוקטנציה קינמטית עצומה במעט מקום, תכונה מועדפת למעגלים קוונטיים קומפקטיים וחזקים־לא־לינאריים. WSi גם אמורפית ואחידה מבנית, מה שהופך אותה לתואמת לתהליכי ייצור שבבים מודרניים ומושכת לשימוש בגלאי פוטון יחידים ובקיוביטים מוליכים־על.

בניית מעגלי בדיקה מסרטי WSi דקים־מיקרו

החוקרים השקו סרטי WSi דקים מאוד — רק כמה ננומטרים — על שבבים מסאפיר ועיצבו מהם חוטים ארוכים וצרירים. חוטים אלו שימשו כאלמנטים האינדקטיביים בשני סוגי מעגלי מיקרוגל: תהודות, מבנים "מצלצלים" זעירים המופעלים בעקביות בחומרה קוונטית, וקיוביטי fluxonium, סוג של סיב קוונטי שמשלב מחסום Josephson עם אינדקטור גדול. על ידי שמירה על הרכב ה־WSi קבוע ושינוי עובי הסרט והגיאומטריה בלבד, יכלו החוקרים לשנות בצורה שיטתית את האינדוקטנציה הקינמטית ואת רמת הבלבוליות תוך כדי מדידת אובדן האנרגיה במעגלים.

מעקב אחרי אובדן אנרגיה עד לקואזיפרטיקלים לכודים

כאשר הצוות מדד את התהודות בטמפרטורות נמוכות מאוד ובעוצמות נמוכות, הם מצאו גורמי איכות פנימיים בטווח של כעשרת אלפים עד מאה אלף — דומים למוליכי־על מבולגנים אחרים המשמשים במכשירים קוונטיים. מספר רמזים הצביעו לכיוון אקסייטציות בתוך ה־WSi עצמו ולא לפגמים בשכבות מבודדות. התקנים עם חשיפה שונה של שדות חשמליים על פני ה־WSi הראו אובדן דומה, וההדללה של הסרט (וכתוצאה מכך עלייה בבלבוליות) החריפה במפורש את הביצועים. בנוסף, האובדן ירד בעקביות עם עליית תדירות התהודה — טביעת אצבע צפויה כשקואזיפרטיקלים (זוגי Cooper שבורים הנושאים אנרגיה במוליך־על) שולטים באובדן.

על ידי שינוי העוצמה של גלי המיקרוגל, המחברים ראו שאובדן התהודה משתפר תחילה כשמספר הפוטונים ההיקפי גדל, ואז מחמיר שוב בסמוך להתחלת ההתנהגות הלא־לינארית. מגמה לא־מונוטונית זו מתאימה לתמונה שבה קואזיפרטיקלים רבים לכודים ב"כיסים" רדודים הנוצרים על ידי תנודות מרחביות של פער הסופרקונדוקטיביות בסרט מבולגן. נהיגה עדינה במיקרוגל מרעידה חלק מהקואזיפרטיקלים ומשחררת אותם, מה שמאפשר להם להתאחד וכך להפחית את מספרם ואת האובדן. בנהיגה גבוהה יותר, הזרם חזק מספיק לשבור זוגות Cooper נוספים, ליצור קואזיפרטיקלים נוספים ולהגביר שוב את הדיסיפציה.

בדיקת WSi בתוך קיוביטים עובדי־מים

כדי לבדוק האם אותה פיזיקה מופיעה בקיוביטים אמיתיים, הצוות שילב חוטי WSi ארוכים כאינדקטורים בשני מכשירי fluxonium עם עובי סרטים שונים אך אינדוקטיביות נומינלית דומה. הם מיפו את רמות האנרגיה של כל קיוביט כפונקציה של הזרם המגנטי ואז מדדו כמה זמן השריר המתרומם הראשון שרד (זמן הרגיעה, T1) בתדרים שונים של הקיוביט. בשני המכשירים, תדירויות קיוביט גבוהות יותר התאמו לזמני חיים ארוכים יותר, והקיוביט העשוי מסרט WSi דק יותר ומבולגן יותר דעך מהר יותר בסך הכול. מודלינג מפורט של מספר מנגנוני אובדן אפשריים הראה שאובדן אינדקטיבי מקואזיפרטיקלים בחוטי WSi יכול להסביר הן את התלות בתדירות והן את גודל זמני החיים הנמדדים, עם צפיפויות קואזיפרטיקלים דומות לאלו שאומדו מהתהודות.

מה המשמעות הזו לחומרת קוונטה בעתיד

מדידות התהודה והקיוביט המשותפות מציירות תמונה עקבית: בסרטי WSi דקים מבולגנים, קואזיפרטיקלים ממוקמים הם המקור הדומיננטי לאובדן אנרגיה במיקרוגל. אמנם זה מגביל את הביצועים של מעגלי הדור הראשון מבוססי WSi, אך גם מספק מפת דרכים ברורה לשיפור. אסטרטגיות כמו הוספת מלכודות קואזיפרטיקלים ייעודיות, הפחתת התלות של המעגל באלמנט האינדקטיבי המוליך־איבדתי, וכיול הרכב ועובי הסרט יכולות להוביל לקיוביטים עם חיים ארוכים יותר. מכיוון ש־WSi כבר משמשת באופן נרחב כדבר מרכזי בגלאי פוטון יחידים, הדגמת השילוב שלה עם קיוביטי fluxonium פותחת פתח לשבבים היברידיים שבהם גלאים ומעבדי קוונטים משתפים את אותה פלטפורמת חומר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: קיוביטים מוליכים־על, אינדוקטנציה קינמטית, קואזיפרטיקלים, טונגסטן סיליציד, fluxonium