无论是烘焙蛋糕、建造建筑，还是研制量子装置，最终产品的质量都极大地受到所使用的组件或基本材料的影响。为了提升超导量子比特的性能，而量子比特又是构成量子计算机基石的关键，科学家们一直在探索不同的基础材料，旨在延长这些量子比特的相干寿命。

相干时间作为一个度量标准，用于确定一个量子比特可以保持量子数据的持续时间，这使其成为一个关键的绩效指标。最近，研究人员的一项新发现表明，在超导量子比特中使用钽可以增强它们的功能。然而，直到现在为止，这背后的原因仍然是未知的。

来自功能纳米材料中心（CFN）、国家同步辐射光源II（NSLS-II）、量子优势共设计中心（C2QA）和普林斯顿大学的科学家们，通过解码钽的化学特性，探究了这些量子比特表现更佳的根本原因。

该研究的结果最近在《Advanced Science》杂志上发表，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）科学办公室在布鲁克海文国家实验室的科学用户设施。C2QA是由布鲁克海文领导的国家量子信息科学研究中心，普林斯顿大学是其中的关键合作伙伴。

找到合适的配料

钽是一种独特且多功能的金属。它具有致密、坚硬且易于加工的特点。钽还具有较高的熔点并且抗腐蚀，因此在许多商业应用中非常有用。此外，钽还是一种超导体，这意味着当冷却到足够低的温度时，它将无电阻地传导电流，从而无需任何能量损失。

基于钽的超导量子比特展现出了超过半毫秒的创纪录长寿命。这一寿命比目前用于大规模量子处理器的铌和铝制造比特的寿命长五倍。

这些特性使得钽材料成为构建更好量子比特的极佳选材。但是，改进超导量子计算机的目标一直受到一个问题的阻碍，即量子比特寿命的限制，这一过程被称为相干衰减。噪音和微观电介质损耗被普遍认为是贡献因素，然而，科学家们对于其具体原因和方式尚存不确定性。

“这篇论文的研究是两个并行研究之一，旨在解决量子比特制造中的一个重大挑战，”普林斯顿大学电气和计算机工程副教授、C2QA材料研究负责人Nathalie de Leon解释道。“迄今为止，没有人提出一种微观的、原子级的损耗模型，能够解释所有观察到的行为，并证明其模型限制了特定的器件。这需要精确而量化的测量技术，以及复杂的数据分析。”

令人惊喜的结果

为了更好地了解量子位的退相干源，普林斯顿大学和CFN的科学家们在蓝宝石基底上培育并进行化学处理钽薄膜。随后，他们将这些样品带到NSLS-II的SST-1和SST-2光谱软和嫩线路，使用X射线光电子能谱（XPS）研究在表面形成的钽氧化物。XPS利用X射线将电子从样品中击出，并提供有关样品表面附近的原子的化学性质和电子状态的线索。科学家们假设这种钽氧化物层的厚度和化学性质在决定量子位相干性方面起到了作用，因为钽的氧化物层相比于更常用于量子位的铌来说较薄。

“我们通过光束线测量这些材料，以便更好地了解正在发生的事情，”NSLS-II的软X射线散射和光谱学项目的主要光束线科学家安德鲁·沃尔特解释道。“人们曾经假设钽氧化物层是相当均匀的，但我们的测量结果表明它并不均匀。当你揭示出一个你意想不到的答案时，这将会更加有趣，因为这是你学到东西的时候。”

团队发现了钽表面上几种不同类型的氧化钽，这为创建更好的超导量子位提供了一系列新问题。这些界面能否被改变以提高整体设备性能，并且哪种改变会产生最大的益处？有哪些表面处理方法可以用来减小能量损耗？

体现协同设计的精神

“看到来自不同背景的专家们汇聚在一起解决一个共同的问题，真是令人鼓舞。”CFN的材料科学家、C2QA材料子课题负责人刘明照说道。“这是一次高度协作的努力，汇集了我们所有设施间共享的资源和专业知识。从材料科学的角度来看，能够创造这些样品并成为这项研究的重要组成部分，令人兴奋。”

沃尔特说：“这样的工作展现了C2QA团队的建设方式。普林斯顿大学的电子工程师在设备管理、设计、数据分析和测试方面做出了很大贡献。CFN的材料组培养和加工样品和材料。我在NSLS-II的团队对这些材料及其电子特性进行了表征。”

各个专业团队的共同协作不仅使研究工作顺畅高效，同时也使科学家们能够更好地理解自己的工作在更广阔的背景下的意义。学生和博士后能够在多个领域获得宝贵的经验，并以有意义的方式为这项研究作出贡献。

“有时候，当材料科学家和物理学家合作时，他们会把材料交给对方，并等待结果的反馈，”德雷昂说道，“但我们的团队是密切合作，一同开发出可以广泛应用于光束线的新方法。”