世界中の研究室で、超伝導量子ビットは同じ設計図と同じ材料から作られていても、異なる振る舞いを見せる。あるものは量子状態をより長く保ち、別のものはより速く失ってしまう——そして最近まで、その原因は謎のままだった。
フェルミラボのSQMSセンターの研究者たちは、3つの研究機関で作製された22個のトランズモン量子ビットを対象に、今日までで最大規模のブラインド研究を実施した。7つの材料分析手法と6つのパートナー機関により、微視的な特徴とデバイスの実際の性能とを結びつけることができた。
主な原因となったのは3つのディテールだった。表面の酸化層の厚さ、エッチング後の側壁の角度、そして電極周囲の溝の深さである。酸化膜の厚さがわずか1ナノメートル違うだけでも、コヒーレンス時間は目に見えて変化した。
壁の角度は、電場が「汚れた」酸化物にどれだけ深く浸透するかに影響する。より鋭い角度——およそ10～15度——は損失を減らし、より緩やかな傾斜と比べて20～30パーセント性能を向上させる。
溝の深さも重要である。およそ20ナノメートルより浅いと、わずかなばらつきが結果に大きく影響するが、より深くなると効果は飽和する。これらのパラメータは作製工程に直接依存している。
注目すべきは、目に見える欠陥——傷や粒子——は性能のばらつきとの関連を示さなかったことだ。決め手となるのは、まさにナノスケールの表面化学と形状の特徴なのである。
この結果は製造者に明確な指針を与える。酸化膜の厚さ、エッチング角度、溝の深さを管理することだ。これは再現性が高く信頼できる量子プロセッサへの一歩である。
この研究はApplied Physics Reviewsに掲載され、将来の量子コンピュータに向けた材料の的を絞った改善への道を開くものである。
