Quasiparticelle localizzate in un fluxonium con induttori cinetici amorfi quasi-bidimensionali

Perché piccoli difetti nei superconduttori contano

I circuiti superconduttori sono candidati principali per costruire computer quantistici e rivelatori ultrasensibili, ma sono vulnerabili a piccole perturbazioni che drenano la loro energia. Questo articolo esplora come si comporta un materiale promettente, il silenuro di tungsteno (WSi), all’interno di circuiti quantistici all’avanguardia, e mostra che microscopiche “particelle vaganti” nel superconduttore sono una sorgente chiave di perdita. Comprendere e controllare questi problemi nascosti è cruciale per costruire tecnologie quantistiche più affidabili.

Fare fili che si comportano come molle potenti

Nell’elettronica ordinaria, gli induttori sono bobine di filo che immagazzinano energia nei campi magnetici. In alcuni materiali superconduttori, però, l’energia può essere immagazzinata anche nell’inerzia delle coppie di elettroni che scorrono senza resistenza, un contributo noto come induttanza cinetica. Superconduttori disordinati come il WSi possono fornire induttanze cinetiche estremamente grandi in un ingombro molto ridotto, cosa interessante per circuiti quantistici compatti e fortemente non lineari. Il WSi è anche amorfo e strutturalmente uniforme, il che lo rende compatibile con la fabbricazione su chip moderna e attraente sia per rivelatori single-photon ad alte prestazioni sia per i qubit superconduttori.

Costruire circuiti di prova con film WSi ultra-sottili

I ricercatori hanno depositato film di WSi molto sottili—solo pochi nanometri—su chip di zaffiro e li hanno patternati in fili lunghi e stretti. Questi fili hanno funzionato come elementi induttivi in due tipi di circuiti a microonde: risonatori, strutture piccole che “suonano” e sono ampiamente usate nell’hardware quantistico, e qubit fluxonium, un tipo di bit quantistico che combina una giunzione Josephson con un induttore grande. Mantenendo fissa la composizione del WSi e variando solo lo spessore del film e la geometria, hanno potuto modificare in modo sistematico l’induttanza cinetica e il grado di disordine mentre misuravano quanta energia i circuiti perdevano.

Rintracciare la perdita di energia a quasiparticelle intrappolate

Quando il team ha misurato i risonatori a temperature molto basse e a potenza ridotta, ha trovato fattori di qualità interni tra circa diecimila e centomila—paragonabili ad altri superconduttori disordinati usati nei dispositivi quantistici. Diversi indizi hanno spostato l’attenzione lontano da difetti negli strati isolanti e verso eccitazioni nel WSi stesso. Dispositivi con esposizione al campo elettrico delle superfici WSi molto diversa mostravano perdite simili, e rendere il film più sottile (e più disordinato) peggiorava chiaramente le prestazioni. Inoltre, la perdita diminuiva in modo costante con l’aumentare della frequenza di risonanza, una firma attesa quando la perdita è dominata da quasiparticelle—coppie di Cooper rotte che trasportano energia in un superconduttore.

Variando la potenza delle microonde, gli autori hanno osservato che la perdita del risonatore migliorava inizialmente all’aumentare del numero di fotoni circolanti, per poi peggiorare di nuovo vicino all’insorgenza del comportamento non lineare. Questa tendenza non monotona corrisponde a un quadro in cui molte quasiparticelle sono intrappolate in “tasche” poco profonde create da fluttuazioni spaziali del gap superconduttivo in un film disordinato. Una guida delicata a microonde scuote alcune di queste quasiparticelle, consentendo loro di ricombinarsi e quindi ridurne il numero e la perdita. A potenze più elevate, la corrente diventa sufficientemente forte da rompere ulteriori coppie di Cooper, creando più quasiparticelle e aumentando nuovamente la dissipazione.

Testare il WSi all’interno di qubit funzionanti

Per verificare se la stessa fisica compare nei qubit reali, il team ha incorporato lunghi fili di WSi come induttori in due dispositivi fluxonium con spessori di film diversi ma induttanza nominale comparabile. Hanno tracciato i livelli energetici di ciascun qubit in funzione del flusso magnetico e poi misurato quanto durava il primo stato eccitato (il tempo di rilassamento, T1) a varie frequenze del qubit. In entrambi i dispositivi, frequenze di qubit più alte corrispondevano a durate maggiori, e il qubit realizzato con il film WSi più sottile e più disordinato decaddeva più rapidamente nel complesso. Una modellizzazione dettagliata di diversi meccanismi di perdita candidati ha mostrato che la perdita induttiva dovuta a quasiparticelle nei fili di WSi poteva spiegare sia la dipendenza dalla frequenza sia l’ordine di grandezza delle durate osservate, con densità di quasiparticelle simili a quelle inferite dai risonatori.

Cosa significa per l’hardware quantistico futuro

Le misure combinate su risonatori e qubit delineano un quadro coerente: nei film WSi ultra-sottili e disordinati, le quasiparticelle localizzate sono la principale sorgente di perdita di energia a microonde. Sebbene questo limiti le prestazioni di questi circuiti quantistici WSi di prima generazione, offre anche una tabella di marcia chiara per il miglioramento. Strategie come aggiungere trappole dedicate per quasiparticelle, ridurre quanto il circuito dipende dall’elemento induttivo dissipativo e ottimizzare composizione e spessore del film potrebbero tutte portare a qubit con vita più lunga. Poiché il WSi è già un materiale ampiamente utilizzato per rivelatori single-photon, dimostrare la sua integrazione con fluxonium apre la strada a chip ibridi dove rivelatori e processori quantistici condividono la stessa piattaforma di materiale.

Citazione: 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

Parole chiave: qubit superconduttori, induttanza cinetica, quasiparticelle, silenuro di tungsteno, fluxonium