Gelokaliseerde quasideeltjes in een fluxonium met quasi-tweedimensionale amorfe kinetische inductoren

Waarom kleine gebreken in supergeleiders ertoe doen

Supergeleidende schakelingen zijn toonaangevende kandidaten voor het bouwen van quantumcomputers en ultrasensitieve detectoren, maar ze zijn kwetsbaar voor kleine verstoringen die hun energie wegvagen. Dit artikel onderzoekt hoe een veelbelovend materiaal, wolfraamsilicide (WSi), zich gedraagt in geavanceerde quantumschakelingen en toont aan dat microscopische “losse deeltjes” in de supergeleider een belangrijke bron van verlies zijn. Het begrijpen en beheersen van deze verborgen veroorzakers is cruciaal voor het bouwen van betrouwbaardere quantumtechnologieën.

Draadjes maken die zich gedragen als krachtige veren

In gewone elektronica zijn inductoren spoelen van draad die energie opslaan in magnetische velden. In speciale supergeleidende materialen kan energie echter ook worden opgeslagen in de traagheid van paarstromen van elektronen die zonder weerstand vloeien, een bijdrage die bekendstaat als kinetische inductantie. Gedesordende supergeleiders zoals WSi kunnen extreem grote kinetische inductanties leveren in een zeer kleine ruimte, wat aantrekkelijk is voor compacte, sterk niet-lineaire quantumschakelingen. WSi is bovendien amorf en structureel uniform, wat compatibel is met moderne chipfabricage en aantrekkelijk voor zowel hoogwaardige single-fotondetectoren als supergeleidende qubits.

Testschakelingen bouwen van ultradunne WSi-films

De onderzoekers hebben zeer dunne WSi-films—slechts enkele nanometers dik—op saffierchips afgezet en ze gepatterned tot lange, smalle draadjes. Deze draadjes dienden als de inductieve elementen in twee soorten microgolfschakelingen: resonatoren, kleine “resonerende” structuren die veelvuldig in quantumhardware worden gebruikt, en fluxonium-qubits, een type quantumbit dat een Josephson-contact combineert met een grote inductor. Door de WSi-samenstelling vast te houden en alleen de filmdikte en geometrie te variëren, konden ze systematisch de kinetische inductantie en de mate van wanorde veranderen terwijl ze maten hoeveel energie de schakelingen verloren.

Verlies van energie terugleiden naar gevangen quasipartikels

Wanneer het team de resonatoren bij zeer lage temperaturen en laag vermogen mat, vonden ze interne kwaliteitsfactoren tussen ongeveer tienduizend en honderdduizend—vergelijkbaar met andere gedesordende supergeleiders die in quantumapparaten worden gebruikt. Meerdere aanwijzingen wezen weg van defecten in isolatielagen en naar excitaties in het WSi zelf. Apparaten met zeer verschillend elektrisch-veldexposure van de WSi-oppervlakken toonden vergelijkbaar verlies, en het dunner maken van de film (en daarmee meer wanorde) verslechterde de prestaties duidelijk. Bovendien nam het verlies gestaag af bij toenemende resonantiefrequentie, een vingerafdruk die verwacht wordt wanneer quasipartikels—gebroken Cooper-paren die energie dragen in een supergeleider—domineren.

Door het microgolfvermogen te variëren, observeerden de auteurs dat het resonatorverlies aanvankelijk verbeterde naarmate het aantal circulerende fotonen toenam, en vervolgens weer verslechterde nabij het begin van niet-lineair gedrag. Deze niet-monotone trend past bij een beeld waarin veel quasipartikels gevangen zitten in ondiepe “zakjes” die ontstaan door ruimtelijke fluctuaties van de supergeleidende gap in een gedesordende film. Een zachte microgolfsturing schudt enkele van deze quasipartikels los, waardoor ze kunnen recombineren en hun aantal en het verlies afnemen. Bij hogere aandrijving wordt de stroom sterk genoeg om extra Cooper-paren te breken, waardoor meer quasipartikels ontstaan en de dissipatie weer toeneemt.

WSi testen in werkende qubits

Om te zien of dezelfde fysica ook in echte qubits optreedt, integreerde het team lange WSi-draadjes als inductoren in twee fluxonium-apparaten met verschillende filmdikten maar vergelijkbare nominale inductantie. Ze brachten de energieniveaus van elke qubit in kaart als functie van magnetische flux en maten vervolgens hoe lang de eerste geëxciteerde toestand overleefde (de relaxatietijd, T1) bij verschillende qubitfrequenties. In beide apparaten kwamen hogere qubitfrequenties overeen met langere levensduren, en de qubit gemaakt van de dunnere, meer gedesordende WSi-film verviel over het geheel genomen sneller. Gedetailleerde modellering van verschillende kandidaat-verliesmechanismen toonde dat inductief verlies door quasipartikels in de WSi-draadjes zowel de frequentieafhankelijkheid als de omvang van de waargenomen levensduren kon verklaren, met quasiparticeldichtheden vergelijkbaar met die afgeleid uit de resonatoren.

Wat dit betekent voor toekomstige quantumhardware

De gecombineerde resonator- en qubitmetingen schetsen een consistent beeld: in ultradunne gedesordende WSi-films zijn gelokaliseerde quasipartikels de dominante bron van microgolf-energetisch verlies. Hoewel dit de prestaties van deze eerste generatie WSi-gebaseerde quantumschakelingen beperkt, biedt het ook een duidelijk verbeterpad. Strategieën zoals het toevoegen van speciale quasiparticelsvallen, het verminderen van de afhankelijkheid van de schakeling van het verliesgevende inductieve element, en het afstemmen van de samenstelling en dikte van de film kunnen allemaal leiden tot langer levende qubits. Omdat WSi al een veelgebruikt materiaal is voor single-fotondetectoren, opent het tonen van integratie met fluxonium-qubits de deur naar hybride chips waarin detectoren en quantumprocessors hetzelfde materiaalplatform delen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: supergeleidende qubits, kinetische inductantie, quasipartikels, wolfraamsilicide, fluxonium