日本的情報通信研究機構（NICT）10月15日宣佈，該機構與NTT、東北大學研究生院工學研究科以及名古屋大學合作，成功開發出了在零磁場下運行的新型超導磁通量子位元。這是一種嵌入了被稱爲「π結」的特殊約瑟夫森結的磁通量子位元，區別於既往需要線圈等輔助電路產生外部磁場的超導磁通量子位元，其特點是無需外部磁場即可運行。
圖1 ：(a)本次開發的新型超導磁通量子位元光學顯微照片。約瑟夫森結（JJ）、π結、通孔部分分別以紫色、黃色、藍色的偽色表示，右側的電路結構圖顯示擁有3個約瑟夫森結（紫色×）和π結（黃色*）；(b)全氮化物超導體構成的約瑟夫森結的結構；(c)在氮化鈮（NbN）基電極上形成的π結結構（供圖：國立研究開發法人情報通信研究機構（NICT）、NTT、東北大學、名古屋大學）
磁通量子位元的特點是使用了3個約瑟夫森結，因而具備較高的非調和性，並能夠緩解頻率衝突問題，但爲了實施量子位元相干時間（保持量子狀態的時間）達到最長的最佳核能電廠運轉情況，必須透過外部線圈向超導迴路施加半個磁通量子的磁通。
這種操作正是導致產生來自外部線圈的低頻噪音的主要原因，由此必須爲每個量子位元設置施加磁場的控制線，這已成爲磁通量子位元實施大型積體電路道路上的一大難題。
作爲解決該問題的方案，東北大學的山下太郎教授（研究當時爲名古屋大學研究生院工學研究科副教授）等人提出了「將π結整合到磁通量子位元中」的方案。
π結是一種嵌入了鐵磁體的約瑟夫森結，能夠在無需從外部施加磁場的情況下產生180度(π)的相差，從而自動偏置到最佳運行點，因此它作爲一種易於抑制外部噪音、簡化電路、實施量子位元整合的方法具有較好的隊形變換前景。
此次，NICT等4方機構將使用了在硅基底層上成長晶體的氮化鈮製備的氮化物超導量子位元技術與π結技術，製造出了具有π結的磁通子位元，並全球首次證實了在零磁場狀態下的最佳運行，同時成功測量了其相干時間。
此前已有德國卡爾斯魯厄理工學院報告的由Nb/AlOx/Nb約瑟夫森結和Nb/CuNi/Nb結構成的相量子位元，並實施了4奈秒的相干時間，但其他嘗試同樣使用π結的磁通量子位元未能實施量子位元運行，且未能測量出相干時間。
本次研究採用了比CuNi更能維持穩定π態的PdNi，在NbN電極上形成了π結。此外，研究團隊將NICT開發的NbN/AlN/NbN約瑟夫森結，與NTT開發的用於三維諧振器的磁通量子位元最佳設計相結合，製造了可在零磁場下最佳運行的新型超導磁通量子位元。
接着，研究團隊使用NTT的長壽命量子位元測量系統對其進行了測量，測量結果應答了零磁場爲最佳運行點，驗證了無需外部磁場的超導相反轉功能，並觀測到了1.45微秒的相干時間。
這一結果相較於既往嵌入π結的相量子位元，相干時間提高了360倍。另一方面，這也是全球首次揭示了現行的NbN/PdNi/NbN疊層結構π結存在着相干時間需要的課題。
未來，NICT等將致力於進一步延長相干時間，爲將來實施大型積體電路提高元件特性的均勻度而最適化電路結構和製造工藝，力爭打造性能超越既往鋁基量子位元的量子硬體新平台。
如果能夠開發出在零磁場下運行且保持更長相干時間的π結磁通子位元，那麼該物質就有可能成爲高性能量子元件的關鍵要素，並有望推動元件在實施量子電腦小型化程序中的應用。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Communications Materials
論文：Superconducting flux qubit with ferromagnetic Josephson π-junction operating at zero magnetic field
DOI:10.1038/s43246-024-00659-1
