科学家们利用太赫兹SNOM显微镜来检测量子计算电路中的缺陷，特别是在纳米约瑟夫森结中。解决这些缺陷对于优化量子计算的更快处理能力至关重要。

研究人员使用了一种新工具来帮助改进商业化生产的量子计算电路中的关键组件。这个科学家团队来自美国能源部（DOE）埃姆斯国家实验室（Ames National Laboratory），与Fermilab领导的超导量子材料与系统中心（Superconducting Quantum Materials and Systems Center，SQMS）合作，后者是一个DOE国家量子信息科学研究中心。该团队使用的太赫兹SNOM显微镜最初由埃姆斯实验室开发，用于研究纳米约瑟夫森结（JJ）的界面和连接性。

JJ是超导量子计算机的关键组件，由SQMS合作伙伴Rigetti Computing制造。JJ在非常低的低温下有效生成一个两级系统，产生一个量子位。他们用太赫兹显微镜获得的图像显示纳米结的缺陷边界，导致导电性受到干扰，并对产生量子计算所需的长相干时间构成挑战。

了解量子位（Qubits）

量子计算机由量子位或量子位（qubits）组成。量子位类似于数字计算机中的位（bits）。位是计算机可以处理和存储的最小数据单元。位是二进制的，意味着它们只能以两种可能的状态存在，即0或1。然而，量子位在其量子状态中同时存在0和1，这就是使量子计算机能够比今天常用的计算机更快地处理更多信息的原因。

更好的量子比特在于理解纳米Josephson结（JJ）的功能，这是团队所研究的组件。来自艾姆斯实验室的科学家、研究团队的负责人王继刚解释说，这个JJ在低温环境下促进了电流的超导流动，从而使得量子比特能够存在于它们的量子态。保持这种流动的均匀性和无耗散性非常重要，以保持系统的相干性。

挑战与突破

量子电路中复杂的结构组件往往会导致局部电场的集中，从而引起散射和能量耗散，最终导致量子退相干，所以当前量子计算的问题是如何减少退相干。

王及其团队使用了一种之前在艾姆斯实验室开发的太赫兹近场光学显微镜（SNOM）来对JJ进行电磁场耦合下的成像。这种显微镜使用了一个特殊的探针，可以将显微镜的分辨率增加到纳米级，几乎没有接触或以任何方式影响结构组件。利用这个显微镜，团队记录下了JJ的图像。如果结构组件的加工正确，所得到的图像将展示出整个组件上一致的电场。然而，团队发现了两个部分之间的断开（见上图）。

这个发现有两个重要的原因。首先，它确认了JJ的加工问题，Rigetti现在可以解决这个问题，从而改善他们的量子电路质量。其次，它证明了在艾姆斯实验室开发的太赫兹显微镜是量子电路组件高通量筛选的有用工具。

这项研究证明了太赫兹SNOM是一个理想的工具，可以用来可视化异质偶极场分布。这使得我们可以在纳米级上对这个纳米结的有效边界进行非破坏性和非接触性的识别。在纳米级别上，它非常精确。

显微镜能力和未来目标

量子电路通常在极低的低温下工作。王的团队此前证明了太赫兹SNOM显微镜可以在极低的温度下工作。因此，这项研究的最终目标是继续推动这种超低温太赫兹SNOM设备，以能够达到极低的温度，以便实时和实空间地跟踪超导电流隧穿，观察工作比特的情况。