Локализованные квазичастицы в флюксониуме с квази‑двухмерными аморфными кинетическими индукторами

Почему мелкие дефекты в сверхпроводниках имеют значение

Сверхпроводящие цепи считаются ведущими кандидатами для создания квантовых компьютеров и ультрачувствительных детекторов, но они уязвимы к крошечным возмущениям, которые отбирают их энергию. В этой работе исследуется поведение перспективного материала — карбида вольфрама (WSi) — в современных квантовых схемах и показано, что микроскопические «блуждающие частицы» внутри сверхпроводника являются ключевым источником потерь. Понимание и контроль этих скрытых источников проблем имеют решающее значение для создания более надежных квантовых технологий.

Создание проводников, ведущих себя как мощные пружины

В обычной электронике индуктивности — это катушки провода, которые хранят энергию в магнитном поле. В специальных сверхпроводящих материалах энергия также может запасаться в инерции пар электронов, текущих без сопротивления; этот вклад называют кинетической индуктивностью. Дисперсные сверхпроводники, такие как WSi, могут обеспечивать чрезвычайно большую кинетическую индуктивность на очень малой площади, что привлекательно для компактных, сильно нелинейных квантовых схем. WSi также аморфен и структурно однороден, что делает его совместимым с современной литографией и привлекательным как для высокопроизводительных однофотонных детекторов, так и для сверхпроводящих кубитов.

Создание тестовых схем из ультратонких пленок WSi

Исследователи наносили очень тонкие пленки WSi — всего в несколько нанометров толщиной — на сапфировые подложки и формировали из них длинные узкие провода. Эти провода служили индуктивными элементами в двух типах микроволновых схем: резонаторах, которые представляют собой миниатюрные «звенящие» структуры, широко используемые в квантальной аппаратуре, и флюксониум‑кубитах, виде кубита, который комбинирует джозефсоновский переход с большим индуктором. Фиксируя состав WSi и варьируя только толщину пленки и геометрию, они могли систематически менять кинетическую индуктивность и степень беспорядка, одновременно измеряя величину энергетических потерь в схемах.

Выявление потерь энергии из‑за захваченных квазичастиц

При измерениях резонаторов при очень низких температурах и низкой мощности команда обнаружила внутренние факторы качества примерно от десяти тысяч до ста тысяч — сопоставимые с другими дисперсными сверхпроводниками, используемыми в квантовых устройствах. Несколько указаний отводили причину от дефектов в изолирующих слоях и наводили на возбуждения внутри самого WSi. Устройств с очень разной экспозицией электрического поля поверхности WSi показывали схожие потери, а утончение пленки (и увеличение беспорядка) явно ухудшало характеристики. Кроме того, потери уменьшались при увеличении частоты резонанса — признак, ожидаемый при доминировании квазичастиц — разрушенных пар Купера, которые переносят энергию в сверхпроводнике.

Варьируя мощность микроволн, авторы наблюдали, что потери резонатора первоначально уменьшались при возрастании числа циркулирующих фотонов, а затем снова росли при приближении к началу нелинейного поведения. Эта немонотонная зависимость согласуется с картиной, в которой многие квазичастицы захвачены в мелких «карманах», создаваемых пространственными флуктуациями сверхпроводящего зазора в дисперсной пленке. Слабое микроволновое возбуждение встряхивает часть этих квазичастиц, позволяя им рекомбинировать, тем самым снижая их число и потери. При более сильном возбуждении ток становится достаточным для разрушения дополнительных пар Купера, что создает больше квазичастиц и снова увеличивает диссипацию.

Тестирование WSi внутри работающих кубитов

Чтобы проверить, проявляется ли та же физика в реальных кубитах, команда включила длинные провода из WSi в качестве индукторов в двух устройствах флюксониум с разной толщиной пленки, но сопоставимой номинальной индуктивностью. Они сопоставили энергетические уровни каждого кубита как функцию магнитного потока, а затем измерили, как долго существует первое возбужденное состояние (время релаксации T1) при разных частотах кубита. В обоих устройствах более высокие частоты кубита соответствовали более длительному времени жизни, а кубит, изготовленный из более тонкой и более беспорядочной пленки WSi, в целом распадался быстрее. Детальное моделирование нескольких кандидатных механизмов потерь показало, что индуктивные потери от квазичастиц в проводах WSi могут объяснить как зависимость от частоты, так и величину наблюдаемых времен жизни, при плотностях квазичастиц, сопоставимых с теми, которые были выведены из измерений резонаторов.

Что это значит для будущего квантального аппаратного обеспечения

Совместный анализ резонаторных и кубитных измерений рисует согласованную картину: в ультратонких дисперсных пленках WSi локализованные квазичастицы являются доминирующим источником микроволновых потерь энергии. Хотя это ограничивает производительность этих устройств на базе WSi первого поколения, это также дает ясную дорожную карту для улучшений. Стратегии, такие как добавление специальных ловушек для квазичастиц, уменьшение зависимости схемы от индуктивного элемента с потерями и настройка состава и толщины пленки, могут привести к увеличению времени жизни кубитов. Поскольку WSi уже широко используется в однофотонных детекторах, демонстрация его интеграции с флюксониум‑кубитами открывает путь к гибридным чипам, где детекторы и квантовые процессоры разделяют одну материальную платформу.

Цитирование: 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

Ключевые слова: сверхпроводящие кубиты, кинетическая индуктивность, квазичастицы, карбид вольфрама (WSi), флюксониум