In laboratoria over de hele wereld gedragen supergeleidende qubits zich verschillend, zelfs wanneer ze volgens hetzelfde ontwerp en uit dezelfde materialen zijn gemaakt. De ene behoudt zijn kwantumtoestand langer, de andere verliest die sneller — en tot voor kort bleef de oorzaak een raadsel.
Onderzoekers van het SQMS-centrum bij Fermilab voerden het grootste tot nu toe uitgevoerde blinde onderzoek uit naar 22 transmon-qubits die in drie instituten waren gemaakt. Zeven analysemethoden voor materialen en zes partnerorganisaties maakten het mogelijk microscopische eigenaardigheden te verbinden met de werkelijke prestaties van de apparaten.
De belangrijkste boosdoeners bleken drie details: de dikte van de oxidelaag aan het oppervlak, de hoek van de zijwanden na het etsen en de diepte van de groeven rond de elektroden. Zelfs een verschil van één nanometer in de oxidelaagdikte veranderde de coherentietijd merkbaar.
De wandhoek bepaalt hoe sterk het elektrische veld doordringt in de ‘vervuilde’ oxiden. Een scherpere hoek — ongeveer 10–15 graden — vermindert de verliezen en verbetert de werking met 20–30 procent in vergelijking met een flauwere afschuining.
De diepte van de groeven is eveneens belangrijk: onder ongeveer 20 nanometer hebben kleine afwijkingen een grote invloed op het resultaat, terwijl bij een grotere diepte het effect verzadigt. Deze parameters hangen rechtstreeks af van de fabricagestappen.
Opmerkelijk is dat met het blote oog zichtbare defecten — krassen of deeltjes — geen verband vertoonden met de spreiding in prestaties. Het zijn juist de nanoscale eigenaardigheden van de oppervlaktechemie en de geometrie die de doorslag geven.
De resultaten geven fabrikanten duidelijke richtlijnen: de oxidelaagdikte, de etshoek en de groefdiepte onder controle houden. Dit is een stap naar reproduceerbare en betrouwbare kwantumprocessors.
Het werk is gepubliceerd in Applied Physics Reviews en opent de weg naar gerichte verbetering van materialen voor toekomstige kwantumcomputers.
