In Labors auf der ganzen Welt verhalten sich supraleitende Qubits unterschiedlich, selbst wenn sie nach demselben Schema und aus denselben Materialien hergestellt wurden. Die einen bewahren ihren Quantenzustand länger, die anderen verlieren ihn schneller – und bis vor Kurzem blieb die Ursache ein Rätsel.
Forscher des Zentrums SQMS am Fermilab führten die bislang größte Blindstudie an 22 Transmon-Qubits durch, die an drei Instituten hergestellt wurden. Sieben Methoden der Materialanalyse und sechs Partnerorganisationen ermöglichten es, mikroskopische Besonderheiten mit der tatsächlichen Leistung der Bauelemente zu verknüpfen.
Als Hauptverursacher erwiesen sich drei Details: die Dicke der Oxidschicht an der Oberfläche, der Winkel der Seitenwände nach dem Ätzen und die Tiefe der Gräben um die Elektroden. Selbst ein Unterschied von einem Nanometer in der Oxiddicke veränderte die Kohärenzzeit merklich.
Der Winkel der Wände beeinflusst, wie stark das elektrische Feld in die „schmutzigen“ Oxide eindringt. Ein spitzerer Winkel – etwa 10–15 Grad – verringert die Verluste und verbessert die Leistung um 20–30 Prozent im Vergleich zu einer flacheren Schräge.
Auch die Tiefe der Gräben ist wichtig: Unterhalb von etwa 20 Nanometern wirken sich kleine Abweichungen stark auf das Ergebnis aus, bei größerer Tiefe sättigt der Effekt. Diese Parameter hängen unmittelbar von den Fertigungsschritten ab.
Bemerkenswert ist, dass mit bloßem Auge sichtbare Defekte – Kratzer oder Partikel – keinen Zusammenhang mit der Streuung der Leistung zeigten. Entscheidend sind gerade die nanoskaligen Besonderheiten der Oberflächenchemie und der Geometrie.
Die Ergebnisse geben den Herstellern klare Orientierungspunkte: die Oxiddicke, den Ätzwinkel und die Tiefe der Gräben zu kontrollieren. Das ist ein Schritt hin zu reproduzierbaren und zuverlässigen Quantenprozessoren.
Die Arbeit wurde in Applied Physics Reviews veröffentlicht und ebnet den Weg zu einer gezielten Verbesserung der Materialien für künftige Quantencomputer.
