Zlokalizowane kwazicząstki w fluxonium z quasi-dwuwymiarowymi amorficznymi induktorami kinetycznymi

Dlaczego drobne defekty w nadprzewodnikach mają znaczenie

Obwody nadprzewodnikowe są wiodącymi kandydatami do budowy komputerów kwantowych i ultrasensytywnych detektorów, jednak są podatne na drobne zakłócenia, które pochłaniają ich energię. W pracy tej zbadano, jak obiecujący materiał — krzemek wolframu (WSi) — zachowuje się w nowoczesnych obwodach kwantowych i wykazano, że mikroskopijne „obce cząstki” wewnątrz nadprzewodnika są istotnym źródłem strat. Zrozumienie i kontrola tych ukrytych sprawców są kluczowe dla budowy bardziej niezawodnych technologii kwantowych.

Tworzenie przewodów zachowujących się jak potężne sprężyny

W zwykłej elektronice cewki indukcyjne to zwoje przewodu magazynujące energię w polach magnetycznych. W specjalnych nadprzewodnikach energia może być też magazynowana w bezwładności par elektronowych płynących bez oporu — wkład ten nazywa się indukcyjnością kinetyczną. Zaburzone (dyslokacyjne) nadprzewodniki, takie jak WSi, mogą dostarczać bardzo dużej indukcyjności kinetycznej przy niewielkim rozmiarze, co jest atrakcyjne dla zwartych, silnie nieliniowych obwodów kwantowych. WSi jest też amorficzny i strukturalnie jednorodny, co czyni go zgodnym z nowoczesną technologią wytwarzania układów i atrakcyjnym zarówno dla wysoko wydajnych detektorów pojedynczych fotonów, jak i kubitów nadprzewodnikowych.

Budowanie testowych obwodów z ultracienkich filmów WSi

Naukowcy osadzili bardzo cienkie filmy WSi — tylko kilka nanometrów grubości — na płytkach z szafiru i wyprowadzili je w postaci długich, wąskich przewodów. Przewody te pełniły rolę elementów indukcyjnych w dwóch rodzajach obwodów mikrofalowych: rezonatorach, czyli drobnych struktur „dzwoniących” szeroko stosowanych w sprzęcie kwantowym, oraz kubitach fluxonium, rodzaju bitu kwantowego łączącego złącze Josephsona z dużym induktorem. Przy stałym składzie WSi i zmianie jedynie grubości filmu i geometrii mogli systematycznie zmieniać indukcyjność kinetyczną i stopień nieuporządkowania, mierząc jednocześnie straty energii w obwodach.

Śledzenie strat energii do uwięzionych kwazicząstek

Gdy zespół mierzył rezonatory w bardzo niskich temperaturach i przy niskiej mocy, stwierdził wewnętrzne czynniki jakości rzędu około dziesięciu tysięcy do stu tysięcy — porównywalne z innymi nieuporządkowanymi nadprzewodnikami stosowanymi w urządzeniach kwantowych. Kilka wskazówek odrzucało przyczynę w defektach warstw izolujących i kierowało ją ku wzbudzeniom w samym WSi. Urządzenia o bardzo różnym narażeniu pól elektrycznych powierzchni WSi wykazywały podobne straty, a zmniejszenie grubości filmu (i wzrost nieuporządkowania) wyraźnie pogarszało wydajność. Ponadto straty malały wraz ze wzrostem częstotliwości rezonansowej — charakterystyczny znak, gdy dominującym mechanizmem są kwazicząstki, czyli przerwane pary Coopera przenoszące energię w nadprzewodniku.

Zmieniając moc mikrofalową, autorzy zaobserwowali, że straty rezonatora początkowo zmniejszały się wraz ze wzrostem liczby krążących fotonów, a następnie ponownie pogarszały się w pobliżu progu nieliniowości. Ten nienmonotoniczny przebieg zgadza się z obrazem, w którym wiele kwazicząstek jest uwięzionych w płytkich „kieszeniach” utworzonych przez przestrzenne fluktuacje szczeliny nadprzewodzącej w nieuporządkowanym filmie. Delikatne mikrofalowe wymuszenie wytrząsa niektóre z tych kwazicząstek, umożliwiając ich rekombinację, co zmniejsza ich liczebność i straty. Przy silniejszym wymuszeniu prąd staje się na tyle duży, że rozrywa dodatkowe pary Coopera, tworząc więcej kwazicząstek i ponownie zwiększając tłumienie.

Testowanie WSi wewnątrz działających kubitów

Aby sprawdzić, czy ta sama fizyka pojawia się w rzeczywistych kubitach, zespół włączył długie przewody WSi jako induktory w dwóch urządzeniach fluxonium o różnych grubościach filmu, lecz porównywalnej nominalnej indukcyjności. Zmapowali poziomy energetyczne każdego kubitu jako funkcję strumienia magnetycznego, a następnie zmierzyli, jak długo przetrwa pierwszy stan wzbudzony (czas relaksacji, T1) przy różnych częstotliwościach kubitu. W obu urządzeniach wyższe częstotliwości kubitu odpowiadały dłuższym czasom życia, a kubit wykonany z cieńszego, bardziej nieuporządkowanego filmu WSi zwykle zanikał szybciej. Szczegółowe modelowanie kilku kandydatów na mechanizmy strat wykazało, że indukcyjne straty spowodowane kwazicząstkami w przewodach WSi mogą wyjaśnić zarówno zależność od częstotliwości, jak i wielkość zaobserwowanych czasów życia, przy gęstościach kwazicząstek podobnych do tych wywnioskowanych z rezonatorów.

Co to oznacza dla przyszłego sprzętu kwantowego

Połączone pomiary rezonatorów i kubitów tworzą spójny obraz: w ultracienkich, nieuporządkowanych filmach WSi zlokalizowane kwazicząstki są dominującym źródłem strat mikrofalowych. Chociaż ogranicza to wydajność pierwszej generacji obwodów kwantowych opartych na WSi, daje też wyraźną mapę drogową do poprawy. Strategie takie jak dodanie dedykowanych pułapek na kwazicząstki, zmniejszenie zależności obwodu od tracącego elementu indukcyjnego oraz dostrojenie składu i grubości filmu mogą prowadzić do dłużej żyjących kubitów. Ponieważ WSi jest już powszechnym materiałem w detektorach pojedynczych fotonów, wykazanie jego integracji z kubitami fluxonium otwiera drzwi do hybrydowych układów, w których detektory i procesory kwantowe dzielą tę samą platformę materiałową.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: superprzewodnikowe kubity, indukcyjność kinetyczna, kwazicząstki, krzemek wolframu, fluxonium