Des scientifiques ont découvert que le tantale, un métal supraconducteur, améliore considérablement les performances des qubits dans les ordinateurs quantiques. En utilisant la spectroscopie de photoélectrons à rayons X, ils ont constaté que la couche d’oxyde de tantale sur les qubits n’était pas uniforme, ce qui a incité à poursuivre les recherches sur la manière de modifier ces interfaces afin d’améliorer les performances globales du dispositif.
Sommaire
Les chercheurs décodent le profil chimique des oxydes de surface de tantale afin de mieux comprendre les mécanismes de perte et d’améliorer les performances des qubits.
Qu’il s’agisse de faire un gâteau, de construire un bâtiment ou de créer un dispositif quantique, le calibre du produit fini est fortement influencé par les composants ou les matériaux fondamentaux utilisés. Dans leur quête d’amélioration des performances des qubits supraconducteurs, qui constituent le fondement des ordinateurs quantiques, les scientifiques ont sondé différents matériaux de base dans le but de prolonger la durée de vie cohérente de ces qubits.
Le temps de cohérence sert à déterminer la durée pendant laquelle un qubit peut conserver des données quantiques, ce qui en fait un indicateur de performance clé. Une révélation récente des chercheurs a montré que l’utilisation de tantale dans les qubits supraconducteurs améliore leur fonctionnalité. Toutefois, les raisons sous-jacentes restaient inconnues – jusqu’à présent.
Des scientifiques du Center for Functional Nanomaterials (CFN), de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), du Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA) et de l’université de Princeton ont étudié les raisons fondamentales pour lesquelles ces qubits sont plus performants en décodant le profil chimique du tantale.
Les résultats de ces travaux, récemment publiés dans la revue Advanced Science, fourniront des connaissances essentielles pour concevoir des qubits encore plus performants à l’avenir. Le CFN et le NSLS-II sont des installations d’utilisateurs de l’Office of Science du ministère américain de l’énergie (DOE) au Brookhaven National Laboratory du DOE. Le C2QA est un centre national de recherche en science de l’information quantique dirigé par Brookhaven, dont l’université de Princeton est un partenaire clé.
Trouver le bon ingrédient
Le tantale est un métal unique et polyvalent. Il est dense, dur et facile à travailler. Le tantale a également un point de fusion élevé et résiste à la corrosion, ce qui le rend utile dans de nombreuses applications commerciales. En outre, le tantale est un supraconducteur, ce qui signifie qu’il n’a pas de résistance électrique lorsqu’il est refroidi à des températures suffisamment basses et qu’il peut donc transporter du courant sans perte d’énergie.
Les qubits supraconducteurs à base de tantale ont démontré une durée de vie record de plus d’une demi-milliseconde. C’est cinq fois plus que les durées de vie des qubits fabriqués à partir de niobium et d’aluminium, qui sont actuellement déployés dans les processeurs quantiques à grande échelle.
Caractérisation de l’oxyde de tantale (TaOx) par spectroscopie photoélectronique à rayons X. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Ces propriétés font du tantale un excellent matériau candidat pour la construction de qubits plus performants. Cependant, l’objectif d’améliorer les ordinateurs quantiques supraconducteurs a été entravé par un manque de compréhension de ce qui limite la durée de vie des qubits, un processus connu sous le nom de décohérence. On pense généralement que le bruit et les sources microscopiques de perte diélectrique y contribuent, mais les scientifiques ne savent pas exactement pourquoi et comment.
« Les travaux présentés dans cet article font partie de deux études parallèles visant à relever un grand défi dans la fabrication des qubits », explique Nathalie de Leon, professeur agrégé d’ingénierie électrique et informatique à l’université de Princeton et responsable de la recherche sur les matériaux dans le cadre du projet C2QA. « Personne n’a proposé un modèle atomistique microscopique pour la perte qui explique tous les comportements observés et n’a pu montrer que son modèle limite un dispositif particulier. Cela nécessite des techniques de mesure précises et quantitatives, ainsi qu’une analyse sophistiquée des données.
Des résultats surprenants
Pour mieux comprendre la source de la décohérence des qubits, des scientifiques de Princeton et du CFN ont fait croître et traité chimiquement des films de tantale sur des substrats de saphir. Ils ont ensuite transporté ces échantillons aux lignes de faisceaux de spectroscopie douce et tendre (SST-1 et SST-2) du NSLS-II pour étudier l’oxyde de tantale qui s’est formé à la surface à l’aide de la spectroscopie de photoélectrons à rayons X (XPS). La XPS utilise les rayons X pour expulser les électrons de l’échantillon et fournit des indices sur les propriétés chimiques et l’état électronique des atomes proches de la surface de l’échantillon. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que l’épaisseur et la nature chimique de cette couche d’oxyde de tantale jouaient un rôle dans la détermination de la cohérence du qubit, car la couche d’oxyde de tantale est plus fine que celle de niobium généralement utilisée dans les qubits.
« Nous avons mesuré ces matériaux sur les lignes de faisceaux afin de mieux comprendre ce qui se passait », explique Andrew Walter, scientifique principal de la ligne de faisceaux du programme de diffusion des rayons X mous & ; spectroscopie du NSLS-II. « On supposait que la couche d’oxyde de tantale était relativement uniforme, mais nos mesures ont montré qu’elle ne l’était pas du tout. Il est toujours plus intéressant de découvrir une réponse à laquelle on ne s’attendait pas, car c’est à ce moment-là que l’on apprend quelque chose.
L’équipe a trouvé plusieurs types d’oxydes de tantale à la surface du tantale, ce qui a suscité une nouvelle série de questions sur la voie de la création de qubits supraconducteurs de meilleure qualité. Ces interfaces peuvent-elles être modifiées pour améliorer les performances globales du dispositif, et quelles modifications seraient les plus bénéfiques ? Quels types de traitements de surface peuvent être utilisés pour minimiser les pertes ?
Incarner l’esprit du codesign
Il était très stimulant de voir des experts d’horizons très différents se réunir pour résoudre un problème commun », a déclaré Mingzhao Liu, scientifique spécialiste des matériaux au CFN et responsable du sous-axe « matériaux » du C2QA. « Il s’agissait d’un effort hautement collaboratif, mettant en commun les installations, les ressources et l’expertise partagées par tous nos établissements. Du point de vue de la science des matériaux, il était passionnant de créer ces échantillons et de faire partie intégrante de cette recherche ».
Walter a déclaré : « Un travail comme celui-ci témoigne de la manière dont le C2QA a été construit. Les ingénieurs électriciens de l’université de Princeton ont beaucoup contribué à la gestion des dispositifs, à la conception, à l’analyse des données et aux essais. Le groupe chargé des matériaux au CFN a cultivé et traité des échantillons et des matériaux. Mon groupe au NSLS-II a caractérisé ces matériaux et leurs propriétés électroniques ».
La réunion de ces groupes spécialisés a non seulement permis à l’étude de se dérouler sans heurts et de manière plus efficace, mais elle a également permis aux scientifiques de comprendre leur travail dans un contexte plus large. Les étudiants et les postdocs ont pu acquérir une expérience inestimable dans plusieurs domaines différents et contribuer à cette recherche de manière significative.
« Parfois, lorsque des spécialistes des matériaux collaborent avec des physiciens, ils leur remettent leurs matériaux et attendent les résultats », explique M. de Leon, « mais notre équipe a travaillé main dans la main, développant au passage de nouvelles méthodes qui pourraient être largement utilisées à l’avenir sur la ligne de faisceaux ».
Référence : « Chemical Profiles of the Oxides on Tantalum in State of the Art Superconducting Circuits » par Russell A. McLellan, Aveek Dutta, Chenyu Zhou, Yichen Jia, Conan Weiland, Xin Gui, Alexander P. M. Place, Kevin D. Crowley, Xuan Hoang Le, Trisha Madhavan, Youqi Gang, Lukas Baker, Ashley R. Head, Iradwikanari Waluyo, Ruoshui Li, Kim Kisslinger, Adrian Hunt, Ignace Jarrige, Stephen A. Lyon, Andi M. Barbour, Robert J. Cava, Andrew A. Houck, Steven L. Hulbert, Mingzhao Liu, Andrew L. Walter et Nathalie P. de Leon, 11 mai 2023, Advanced Science.
DOI : 10.1002/advs.202300921