Comprendre les bienfaits alléchants du bronzage

Les scientifiques décodent le profil chimique des oxydes de tantale de surface pour comprendre la perte et améliorer les performances des qubits

DOE/Laboratoire national de Brookhaven

image: Oxyde de tantale (TaOx) caractérisé par spectroscopie photoélectronique à rayons X voir plus

Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

UPTON, NY—Qu’il s’agisse de faire un gâteau, de construire une maison ou de développer un dispositif quantique, la qualité du produit final dépend considérablement de ses ingrédients ou de ses matériaux de base. Les chercheurs qui travaillent à améliorer les performances des qubits supraconducteurs, le fondement des ordinateurs quantiques, ont expérimenté l’utilisation de différents matériaux de base dans le but d’augmenter la durée de vie cohérente des qubits. Le temps de cohérence est une mesure de la durée pendant laquelle un qubit conserve l’information quantique, et donc une mesure primaire de la performance. Récemment, les scientifiques ont découvert que l’utilisation du tantale dans les qubits supraconducteurs les rend plus performants, mais personne n’a été en mesure de déterminer pourquoi, jusqu’à présent.

Des scientifiques du Center for Functional Nanomaterials (CFN), du 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 fonctionnent mieux en décodant le profil chimique du tantale. Les résultats de ces travaux, qui ont été récemment publiés dans la revue Advanced Science, fourniront des connaissances clés pour concevoir des qubits encore meilleurs à l’avenir. CFN et NSLS-II sont des installations utilisateur du Bureau des sciences du département de l’Énergie des États-Unis (DOE) au Brookhaven National Laboratory du DOE. 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.

Le tantale est un métal unique et polyvalent. C’est dense, difficile et facile à utiliser. Le tantale a également un point de fusion élevé et résiste à la corrosion, ce qui le rend utile dans de nombreuses applications commerciales. De plus, le tantale est supraconducteur, ce qui signifie qu’il n’a pas de résistance électrique lorsqu’il est refroidi à des températures suffisamment basses et peut donc transporter du courant sans aucune perte d’énergie.

Les qubits supraconducteurs à base de tantale ont démontré des durées de vie record de plus d’une demi-milliseconde. C’est cinq fois plus long que la durée de vie des qubits fabriqués avec du niobium et de l’aluminium, qui sont actuellement déployés dans des processeurs quantiques à grande échelle.

Ces propriétés font du tantale un excellent matériau candidat pour construire de meilleurs qubits. Pourtant, 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; Cependant, les scientifiques ne savent pas exactement pourquoi et comment.

« Le travail dans cet article est l’une des deux études parallèles visant à relever un grand défi dans la fabrication de qubits », a expliqué Nathalie de Leon, professeure agrégée de génie électrique et informatique à l’Université de Princeton et responsable de la poussée des matériaux pour C2QA. « Personne n’a proposé un modèle microscopique et atomistique de perte qui explique tout le comportement observé et a ensuite pu montrer que leur modèle limite un dispositif particulier. Cela nécessite des techniques de mesure précises et quantitatives, ainsi qu’une analyse sophistiquée des données.

Pour obtenir une meilleure image de la source de la décohérence des qubits, les scientifiques de Princeton et du CFN ont cultivé et traité chimiquement des films de tantale sur des substrats de saphir. Ils ont ensuite apporté ces échantillons aux lignes de faisceau souples et tendres de spectroscopie (SST-1 et SST-2) au NSLS-II pour étudier l’oxyde de tantale qui s’est formé à la surface à l’aide de la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). XPS utilise des rayons X pour expulser les électrons de l’échantillon et fournit des indices sur les propriétés chimiques et l’état électronique des atomes près 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 ont joué un rôle dans la détermination de la cohérence du qubit, car le tantale a une couche d’oxyde plus mince par rapport au niobium plus généralement utilisé dans les qubits.

« Nous avons mesuré ces matériaux aux lignes de faisceau afin de mieux comprendre ce qui se passait », a expliqué Andrew Walter, scientifique principal des lignes de faisceau du programme de diffusion et de spectroscopie des rayons X mous de NSLS-II. « On a supposé que la couche d’oxyde de tantale était assez uniforme, mais nos mesures ont montré qu’elle n’était pas uniforme du tout. C’est toujours plus intéressant de découvrir une réponse à laquelle on ne s’attend pas, parce que c’est là qu’on apprend quelque chose. »

L’équipe a trouvé plusieurs types différents 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 meilleurs qubits supraconducteurs. Ces interfaces peuvent-elles être modifiées pour améliorer les performances globales de l’appareil et quelles modifications apporteraient le plus d’avantages ? Quels types de traitements de surface peuvent être utilisés pour minimiser les pertes?

« C’était inspirant de voir des experts d’horizons très différents se réunir pour résoudre un problème commun », a déclaré Mingzhao Liu, scientifique des matériaux chez CFN et responsable de la sous-poussée des matériaux chez C2QA. « Il s’agissait d’un effort hautement collaboratif, mettant en commun les installations, les ressources et l’expertise partagées entre toutes nos installations. Du point de vue de la science des matériaux, c’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 façon dont C2QA a été construit. Les ingénieurs électriciens de l’Université de Princeton ont beaucoup contribué à la gestion, à la conception, à l’analyse des données et aux tests des appareils. Le groupe des matériaux de CFN a grandi et traité des échantillons et des matériaux. Mon groupe à 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 plus facilement et plus efficacement, mais elle a également permis aux scientifiques de comprendre leur travail dans un contexte plus large. Les étudiants et les postdoctorants ont pu acquérir une expérience inestimable dans plusieurs domaines différents et contribuer à cette recherche de manière significative.

« Parfois, lorsque les scientifiques des matériaux travaillent avec des physiciens, ils remettent leurs matériaux et attendent d’avoir des nouvelles des résultats », a déclaré de Leon, « mais notre équipe travaillait main dans la main, développant de nouvelles méthodes en cours de route qui pourraient être largement utilisées à la ligne de faisceau à l’avenir. »

Le Brookhaven National Laboratory est soutenu par l’Office of Science du département de l’Énergie des États-Unis. L’Office of Science est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus pressants de notre époque. Pour plus d’informations, visitez science.energy.gov.

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Science avancée

10.1002/advs.202300921

Étude expérimentale

Sans objet

Profils chimiques des oxydes sur le tantale dans des circuits supraconducteurs de pointe

27-avr-2023

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

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