新工具有助于改进量子计算电路组件

研究人员使用一种新工具来帮助改进商业生产的量子计算电路中的关键组件。来自能源部 (DOE) 艾姆斯国家实验室的科学家团队与费米实验室领导的能源部国家量子信息科学研究中心超导量子材料和系统中心 (SQMS) 合作，使用了最初开发的太赫兹SNOM显微镜在艾姆斯实验室，研究纳米约瑟夫森结 (JJ) 的接口和连接性。JJ是超导量子计算机的关键部件，由RigettiComputing制造，SQMS 合作伙伴。JJ 在极低的低温下有效地生成了一个两能级系统，从而产生了一个量子比特。他们用太赫兹显微镜获得的图像揭示了纳米结中的缺陷边界，这会导致电导率破坏，并对产生量子计算所需的长相干时间构成挑战。

量子计算机由量子位或量子位组成。量子位的功能类似于数字计算机中的位。位是计算机可以处理和存储的最小数据单位。位是二进制的，这意味着它们只能存在两种可能的状态，即 0 或 1。然而，量子位在其量子状态下同时以 0 和 1 的形式存在，这使得量子计算机能够处理更多信息比当今常用的计算机更快。

量子计算机中更好的量子位在于理解纳米约瑟夫森结(JJ)的功能，这是该团队研究的组件。艾姆斯实验室科学家、研究团队负责人王吉刚解释说，这种JJ促进了超电流在低温下流过电路，这使得量子位能够以量子态存在。重要的是，该流动保持均匀且无耗散，以保持系统的连贯性。

“量子电路中的复杂结构组件通常会导致局部电场集中，从而导致散射和能量耗散，最终导致退相干，”王解释道。“因此，当前量子计算业务的问题是如何减轻退相干。”

Wang 和他的团队使用艾姆斯实验室先前开发的太赫兹扫描近场光学显微镜(SNOM)在电磁场耦合下拍摄 JJ 的图像。该显微镜使用特殊的尖端，可将显微镜的分辨率提高到纳米级，几乎不会接触或以任何方式影响连接组件。研究小组使用这台显微镜记录了 JJ 的图像。如果结组件制造正确，生成的图像将显示整个组件的一致电场。然而，研究小组发现连接处的两个部分之间断开了(见图)。

王解释说，这一发现很重要，原因有二。首先，它发现了 JJ 制造的一个问题，Rigetti 现在可以解决这个问题，从而提高量子电路的质量。其次，它证明了艾姆斯实验室开发的太赫兹显微镜是量子电路元件高通量筛选的有用工具。

“这项研究表明，太赫兹 SNOM 是我们可以用来可视化异质电场分布的理想工具，”王说。“这使得能够以非破坏性和非接触方式识别该纳米结的有效边界。它在纳米尺度上非常精确。”

量子电路通常在极低的低温下运行。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，“所以这项研究的最终目标是继续推动这种极低温太赫兹SNOM机器能够达到那种超低温，以便能够跟随功能量子位的实时和真实空间中的超电流隧道效应，”他说。

Wang 强调，如果 Ames Lab 不是 SQMS 社区的成员，这个项目就不可能取得进展。“与他们合作并作为社区做出贡献以推动事情向前发展真是一种荣幸。真正解决这种非常复杂的科技问题需要一个村庄的努力。拥有一支多才多艺的团队真的非常非常重要。”王说。“我也很高兴作为艾姆斯实验室的一部分，我们正在以重要的方式为 SQMS 中心和国家量子计划做出贡献。”

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