无论是烤蛋糕、盖房子还是开发量子设备，最终产品的质量在很大程度上取决于其成分或基础材料。致力于提高超导量子比特（量子计算机的基础）性能的研究人员一直在试验使用不同的基础材料，以增加量子比特的相干寿命。
相干时间是量子比特保留量子信息多长时间的度量，因此是性能的主要度量。最近，科学家们发现，在超导量子位中使用钽可以使它们表现得更好，但直到现在还没有人能够确定原因。
来自功能纳米材料中心（CFN），国家同步加速器光源II（NSLS-II），量子优势协同设计中心（C2QA）和普林斯顿大学的科学家通过解码钽的化学轮廓来研究这些量子位表现更好的根本原因。
这项工作的结果最近发表在《先进科学》杂志上，将为未来设计更好的量子比特提供关键知识。CFN和NSLS-II是美国能源部（DOE）位于美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学用户设施办公室。C2QA是布鲁克海文领导的国家量子信息科学研究中心，普林斯顿大学是该中心的主要合作伙伴。
寻找合适的成分
钽是一种独特且用途广泛的金属。它密集、坚硬且易于使用。钽还具有高熔点和耐腐蚀性，使其可用于许多商业应用。此外，钽是一种超导体，这意味着当冷却到足够低的温度时，它没有电阻，因此可以携带电流而不会造成任何能量损失。
基于钽的超导量子位已经显示出超过半毫秒的创纪录寿命。这比目前部署在大规模量子处理器中的铌和铝制成的量子比特的寿命长五倍。
这些特性使钽成为构建更好量子比特的绝佳候选材料。尽管如此，改进超导量子计算机的目标仍然受到阻碍，因为缺乏对限制量子比特寿命的理解，这一过程被称为退相干。通常认为噪声和介电损耗的微观来源是促成因素;然而，科学家们不确定究竟为什么以及如何。
“本文的工作是旨在解决量子比特制造中的巨大挑战的两项平行研究之一，”普林斯顿大学电气和计算机工程副教授，C2QA材料推力领导者Nathalie de Leon解释说。“没有人提出一个微观的，原子的损失模型来解释所有观察到的行为，然后能够证明他们的模型限制了特定的设备。这需要精确和定量的测量技术，以及复杂的数据分析。
令人惊讶的结果
为了更好地了解量子比特退相干的来源，普林斯顿大学和CFN的科学家在蓝宝石衬底上生长并化学处理了钽薄膜。然后，他们将这些样品带到NSLS-II的光谱学软和嫩光束线（SST-1和SST-2），以使用X射线光电子能谱（XPS）研究表面上形成的氧化钽。XPS使用X射线将电子踢出样品，并提供有关样品表面附近原子的化学性质和电子状态的线索。
科学家们假设，这种氧化钽层的厚度和化学性质在确定量子比特相干性方面发挥了作用，因为与量子比特中更常用的铌相比，钽的氧化层更薄。
“我们在光束线上测量了这些材料，以便更好地了解正在发生的事情，”NSLS-II软X射线散射和光谱学项目的首席光束线科学家Andrew Walter解释说。“有一种假设是氧化钽层相当均匀，但我们的测量表明它根本不均匀。当你发现一个你意想不到的答案时，它总是更有趣，因为那是你学到一些东西的时候。
该团队在钽的表面发现了几种不同种类的钽氧化物，这在创造更好的超导量子比特的道路上引发了一系列新的问题。是否可以修改这些接口以提高整体设备性能，哪些修改将提供最大的好处？可以使用哪些表面处理来最大程度地减少损失？
体现协同设计精神
“看到不同背景的专家聚集在一起解决一个共同的问题，这令人鼓舞，”CFN的材料科学家，C2QA的材料推动领导者刘明钊说。“这是一项高度协作的努力，汇集了我们所有设施之间共享的设施、资源和专业知识。从材料科学的角度来看，创造这些样品并成为这项研究不可或缺的一部分是令人兴奋的。
Walter说：“像这样的工作说明了C2QA的构建方式。普林斯顿大学的电气工程师为设备管理、设计、数据分析和测试做出了很大贡献。CFN的材料小组种植和加工样品和材料。我在NSLS-II的小组对这些材料及其电子特性进行了表征。
将这些专业小组聚集在一起不仅使研究顺利，更有效地进行，而且使科学家在更大的背景下了解他们的工作。学生和博士后能够在几个不同领域获得宝贵的经验，并以有意义的方式为这项研究做出贡献。
“有时，当材料科学家与物理学家合作时，他们会交出他们的材料，等待结果的回复，”德莱昂说，“但我们的团队正在携手合作，开发新的方法，可以广泛用于未来的光束线。
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