具有准二维无定形动能电感的 fluxonium 中的局域化准粒子

为什么超导体中的微小缺陷很重要

超导电路是构建量子计算机和超灵敏探测器的有力候选，但它们易受微小扰动的影响而损耗能量。本文探讨了一种有前景的材料——硅化钨（WSi）在最先进量子电路中的表现，并显示超导体内部的微观“流浪粒子”是能量损耗的关键来源。理解并控制这些隐蔽的麻烦根源对于构建更可靠的量子技术至关重要。

让导线表现得像强劲的弹簧

在普通电子学中，电感器是存储磁场能量的线圈。然而在特殊的超导材料中，能量也可以储存在无阻流动的电子对的惯性中，这一贡献称为动能电感。像 WSi 这样的无序超导体可以在非常小的占地面积内提供极大的动能电感，对于紧凑且强非线性的量子电路非常有吸引力。WSi 还具有无定形且结构均匀的特点，便于现代芯片制造，并且对高性能单光子探测器和超导量子比特都具有吸引力。

用超薄 WSi 薄膜构建测试电路

研究者在蓝宝石芯片上沉积了只有几纳米厚的超薄 WSi 薄膜，并将其图案化为又长又窄的导线。这些导线作为两类微波电路中的电感元件：谐振器（广泛用于量子硬件的微小“振铃”结构）和 fluxonium 量子比特（将约瑟夫森结与大电感组合的一种量子比特）。通过保持 WSi 成分不变，仅改变薄膜厚度和几何形状，他们能够系统地改变动能电感和无序程度，同时测量电路的能量损耗。

将能量损耗追溯到被困的准粒子

当团队在极低温和低功率下测量谐振器时，发现内部品质因数在约一万到十万之间——与用于量子器件的其他无序超导体相当。若干线索指向 WSi 本身的激发态，而非绝缘层缺陷。不同器件中 WSi 表面的电场暴露差异并没有显著改变损耗，且使薄膜更薄（更无序）明显恶化了性能。此外，损耗随共振频率增加而稳步下降，这是当准粒子主导损耗时预期的特征——准粒子是破裂的库珀对，在超导体中携带能量。

通过改变微波功率，作者观察到谐振器的损耗在循环光子数增加时最初改善，然后在非线性行为出现附近再次恶化。这种非单调的趋势符合这样一种图景：许多准粒子被困在由无序薄膜中超导能隙的空间起伏形成的浅“囊穴”中。温和的微波驱动会把一些准粒子震松，使它们复合，从而减少其数量并降低损耗。在更强的驱动下，电流足以打破更多的库珀对，产生更多准粒子，使耗散再次增加。

在工作量子比特中测试 WSi

为了检验相同物理是否出现在真实量子比特中，团队将长 WSi 导线作为电感并入了两台 fluxonium 器件，这两台器件的薄膜厚度不同但标称电感相当。他们绘制了每个量子比特随磁通变化的能级图，并在不同量子比特频率下测量第一激发态的寿命（弛豫时间 T1）。在两台器件中，较高的量子比特频率对应更长的寿命，而由较薄、更无序的 WSi 薄膜制成的量子比特总体衰减更快。对若干候选损耗机制的详细建模表明，来自 WSi 导线中准粒子的电感性损耗可以解释观测到的频率依赖性和寿命大小，且推断的准粒子密度与谐振器中得到的数值相似。

这对未来量子硬件意味着什么

谐振器与量子比特的综合测量描绘出一致的图景：在超薄无序的 WSi 薄膜中，局域化的准粒子是微波能量损耗的主要来源。尽管这限制了第一代基于 WSi 的量子电路的性能，但它也提供了明确的改进路线。诸如增加专用准粒子陷阱、降低电路对易损电感元件的依赖，以及调节薄膜的成分和厚度等策略，都有望实现更长寿命的量子比特。由于 WSi 已经是单光子探测器的常用材料，证明其可与 fluxonium 量子比特集成，为探测器与量子处理器共享同一材料平台的混合芯片打开了大门。

引用: 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

关键词: 超导量子比特, 动能电感, 准粒子, 硅化钨, fluxonium