Lokaliserade kvasipartiklar i ett fluxonium med kvasi-tvådimensionella amorfa kinetiska induktanser

Varför små fel i supraledare spelar roll

Supraledande kretsar är ledande kandidater för att bygga kvantdatorer och ultrasensitiva detektorer, men de är känsliga för små störningar som tömmer deras energi. Denna artikel undersöker hur ett lovande material, tungstensilikid (WSi), beter sig i toppmoderna kvantkretsar och visar att mikroskopiska ”frimpartiklar” i supraledaren är en huvudorsak till förluster. Att förstå och kontrollera dessa dolda stökiga element är avgörande för att bygga mer tillförlitlig kvantteknik.

Att göra ledare som beter sig som kraftiga fjädrar

I vanlig elektronik är induktorer spolar av tråd som lagrar energi i magnetfält. I vissa supraledande material kan energi däremot också lagras i trögheten hos elektronpar som flyter utan motstånd, en bidrag som kallas kinetisk induktans. Störda supraledare som WSi kan ge mycket stor kinetisk induktans på mycket liten yta, vilket är attraktivt för kompakta, starkt icke-linjära kvantkretsar. WSi är också amorft och strukturellt enhetligt, vilket gör det kompatibelt med modern chipframställning och lockande för både högpresterande en-foton-detektorer och supraledande kubiter.

Bygga testkretsar av ultratunna WSi-filmer

Forskarna deponerade mycket tunna WSi-filmer—endast några nanometer tjocka—på safirchip och mönstrade dem till långa, smala ledare. Dessa ledare fungerade som induktiva element i två typer av mikrovågskretsar: resonatorer, små ”klingande” strukturer som används brett i kvantmaskinvara, och fluxonium-kubiter, en typ av kvantbit som kombinerar en Josephson-kontakt med en stor induktor. Genom att hålla WSi:s sammansättning konstant och endast variera filmtjocklek och geometri kunde de systematiskt ändra den kinetiska induktansen och graden av oordning samtidigt som de mätte hur mycket energi kretsarna förlorade.

Spåra energiförlust till fångade kvasipartiklar

När teamet mätte resonatorerna vid mycket låga temperaturer och låg effekt fann de interna kvalitetsfaktorer mellan cirka tiotusen och hundratusen—jämförbart med andra störda supraledare som används i kvantenheter. Flera ledtrådar pekade bort från defekter i isolerande lager och mot excitationer i själva WSi. Enheter med mycket olika elektriska fältexponering av WSi-ytorna visade liknande förluster, och att göra filmen tunnare (och mer störd) försämrade uppenbarligen prestandan. Dessutom minskade förlusten stadigt med ökande resonansfrekvens, ett fingeravtryck som förväntas när kvasipartiklar—brutna Cooper-par som bär energi i en supraledare—dominerar.

Genom att variera mikrovågseffekten observerade författarna att resonatorns förlust initialt förbättrades när det cirkulerande fotonantalet ökade, för att sedan försämras igen nära början av icke-linjärt beteende. Denna icke-monotona trend stämmer med en bild där många kvasipartiklar sitter fast i grunda ”fickor” skapade av rumsliga fluktuationer i den supraledande gapet i en störd film. Försiktig mikrovågsdrivning skakar loss några av dessa kvasipartiklar, vilket låter dem rekombinera och därigenom minska deras antal och förlusten. Vid högre driv blir strömmen tillräckligt stark för att bryta fler Cooper-par, skapa fler kvasipartiklar och åter öka dissipationen.

Testa WSi i fungerande kvantbitar

För att se om samma fysik uppträder i riktiga kubiter införlivade teamet långa WSi-ledare som induktorer i två fluxonium-enheter med olika filmtjocklekar men jämförbar nominell induktans. De kartlade varje kubits energinivåer som funktion av magnetisk flux och mätte sedan hur länge det första exciterade tillståndet överlevde (relaxationstiden, T1) vid olika kubitfrekvenser. I båda enheterna motsvarade högre kubitfrekvenser längre livslängd, och kubiten gjord av den tunnare, mer störda WSi-filmen sönderföll snabbare totalt sett. Detaljerad modellering av flera kandidatmekanismer för förlust visade att induktiv förlust från kvasipartiklar i WSi-ledarna kunde förklara både frekvensberoendet och storleken på de observerade livslängderna, med kvasiparticeltätheter liknande dem som härletts från resonatorerna.

Vad detta betyder för framtida kvantmaskinvara

De kombinerade resonator- och kubitmätningarna målar upp en konsekvent bild: i ultratunna störda WSi-filmer är lokaliserade kvasipartiklar den dominerande källan till mikrovågenergiförlust. Även om detta begränsar prestandan hos dessa första generationens WSi-baserade kvantkretsar ger det också en tydlig färdplan för förbättring. Strategier som att lägga till dedikerade kvasipartikel-fällor, minska hur starkt kretsen är beroende av det förlustdrabbade induktiva elementet, och finjustera filmens sammansättning och tjocklek skulle alla kunna leda till längrelevande kubiter. Eftersom WSi redan är ett standardmaterial för en-foton-detektorer öppnar demonstrationen av dess integration med fluxonium-kubiter dörren för hybrida chip där detektorer och kvantprocessorer delar samma materialplattform.

Citering: 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

Nyckelord: supraledande kubiter, kinetisk induktans, kvasipartiklar, tungstensilikid, fluxonium