실리콘 기판을 사용하여 질화물 무료 바카라도 큐 비트를 성공적으로 개발했습니다

미래 사회가 다가오는사회 50^*9에서, 지금까지 정보 사회를 지원 한 반도체 회로의 성능 개선에서 한계가 나타나기 시작했으며, 양자 컴퓨터에 대한 기대는 이러한 한도를 위반할 새로운 정보 처리 패러다임으로 상승하고 있습니다 그러나, 양자 컴퓨터의 작동에 필수적인 양자 중첩 상태는 다양한 교란 (노이즈)에 의해 쉽게 파손될 수 있으며 그 효과는 올바르게 제거되어야합니다

무료 바카라도 큐 비트는 솔리드 스테이트 장치이므로 설계 자유, 통합 및 확장 성이 뛰어나지 만 무료 바카라도 큐 비트를 둘러싼 다양한 교란에 취약하며, 이는 양자 중첩 상태의 수명 일관 시간을 연장하는 방법입니다 이 도전을 극복하기 위해 전 세계의 연구 기관에서 다양한 노력이 이루어졌으며, 대부분은 큐 비트 재료로서 알루미늄 (AL)과 알루미늄 산화물 필름 (ALO)이 있습니다_x)가 사용됩니다 그러나, 종종 절연 층으로 사용되는 비정질 알루미늄 산화 알루미늄은 노이즈의 원천으로 관심이 있으며,이 문제를 해결할 수있는 재료를 고려하는 것이 필수적이었습니다

Nict는 1k (-272 ° C)의 무료 바카라도 전이 온도 및 알루미늄 (ALN) 절연 필름을 갖는 Niobium Niobium (NBN)에 중점을 두었습니다 조셉슨 접합 (자세한 내용은 보충 자료 참조)

상단 전극크리스탈 오리엔테이션^*10인 NBN/ALN/NBN 접합부 (Epitaxial Junction)를 실현하려면 NBN과 결정의 상대적으로 밀접한 격자 상수를 갖는 산화 마그네슘 (MGO) 기판을 사용해야했지만 MGO IS유전체 손실^*11| MGO 기판에서 NBN/ALN/NBN 접합을 사용한 무료 바카라도 큐 비트의 일관성 시간은 약 05 마이크로 초에 불과했다 [1]

Nict는 이전에 실리콘 (SI) 기질의 완충 층으로서 유전체 손실이 적은 지위 층으로서 NBN/ALN/NBN 에피 택셜 접합을 달성하는 데 성공했습니다 [2] 이번에는 실리콘 기판에 제작 된 NBN/ALN/NBN 접합을 사용하여 큐 비트 회로 (그림 1 참조)를 설계, 제작 및 평가했습니다

무료 바카라도 큐 비트가 제어되고 전자 레인지를 통해 읽히기 때문에 실험에 사용 된 기본 회로는 그림 1 (a)에 표시된 것처럼 큐 비트가 마이크로파 공진기에 연결되는 구조입니다 이 기본 회로는도 1 (b)에 도시 된 바와 같이 Si 기판상에서 에피 택셜로 성장한 질화물 무료 바카라도체를 사용하여 제조되었다 그림 1 (c)는 질화물 무료 바카라도 큐 비트 (부품)의 전자 현미경 사진과 요소의 단면 뷰를 보여 주며, 그림 1 (d)는 에피 탁상으로 성장한 질화물 조셉슨 접합의 전이 전자 현미경 사진을 보여줍니다

그림 2에 표시된대로 큐 비트의 일관성 시간의 지표 인 에너지 이완 시간 (t₁), 위상 이완 시간 (t₂), 18 마이크로 초 및 23 마이크로 초가 각각 얻어졌으며, 100 측정의 평균 값은 다음과 같습니다t₁= 16 마이크로 초,t₂= 22 마이크로 초 이것은 MGO 기판의 무료 바카라도 큐 비트와 비교됩니다t₁약 32 회t₂이것은 약 44 배의 개선입니다

이 결과는 우리가 Josephson 접합에 기존의 알루미늄 및 알루미늄 옥사이드 필름을 사용하지 않는 질화물 무료 바카라도 큐 비트를 개발하는 데 성공했다는 사실에 중요하며, 이는 큐브트가 상위 전이 온도의 핵심이며, 상위 전이 성장으로 인한 탁월한 결정 성을 갖는다 특히, 이것은 전기 손실을 감소시키고 질화물 무료 바카라도 큐이트로부터 Si 기질의 에피축 성장에 의해 수십 마이크로 초 범위의 일관성 시간이 성공적으로 관찰 된 세계에서 처음입니다 이 질화물 무료 바카라도 큐 비트는 여전히 개발 초기 단계에 있으며, 큐 비트 설계 및 제조 공정의 최적화를 통해 일관성 시간의 추가 개선이 달성 될 수 있다고 생각합니다

질화물 큐 비트는 기존의 알루미늄을 대체하는 새로운 재료 플랫폼이 될 것으로 예상되며, 양자 정보 처리의 연구 및 개발을 가속화하여보다 에너지 효율적인 정보 처리 및 안전하고 안전한 양자 네트워크를 구축하는 데 필요한 양자 노드의 실현을 가속화 할 것입니다

오늘날, 우리는 미래의 대규모 통합을 증가시키고 회로 구조 및 제조 공정을 최적화하기 위해 일관성 시간을 더 연장하고 장치 특성의 균일 성을 향상시키기 위해 노력할 것이며, 기존의 알루미늄 기반 qubits의 성능을 능가하는 양자 하드웨어를위한 새로운 플랫폼을 구축하는 것을 목표로합니다

• 정보 및 통신 기술 기관 : SI 기판, 설계, 제조, 측정 및 평가 기술에 대한 질화물 무료 바카라도기를 사용한 에피 택셜 Josephson 접합의 개발
• 고대 산업 과학 기술 연구소 : 무료 바카라도 양자 비트의 측정 및 평가
• Nagoya University : 무료 바카라도 큐 비트 제작 과정의 개발

게시자 :커뮤니케이션 자료
doi : 101038/s43246-021-00204-4
URL :https : //doiorg/101038/s43246-021-00204-4
종이 이름 : 실리콘 기판에서 자란 큐 비 에피 빅으로 성장한 모든 질화물 일관성
저자 : Sunmi Kim, Hirotaka Terai, Taro Yamashita, Wei Qiu, Tomoko Fuse, Fumiki Yoshihara, Sahel Ashab, Kunihiro Inomata, Kouichi Semba

• 2016 년 10 월 11 일 광자와 인공 원자로 구성된 안정적인 분자 상태 발견
  https : //wwwnictgojp/press/2016/10/11-1html
• 2017 년 11 월 15 일 : Niobium Niobium Niobium을 사용한 자기 Josephson 장치의 세계 최초의 실현
  https : //wwwnictgojp/press/2017/11/15-1html
• 2018 년 5 월 8 일 - 광자와의 상호 작용을 사용한 무료 바카라도 인공 원자의 자유 에너지 제어
  https : //wwwnictgojp/press/2018/05/08-1html

이 연구는 일본 과학 및 기술 기관 (JST) 크레스트 "무료 바카라도 양자 메타 물질의 생성 및 제어"(JPMJCR1775, Investigator : Senba Koichi)의 보조금으로 수행되었습니다 (JPMJER1601, 연구 책임자 : Nakamura Yasunobu), 교육 문화, 스포츠, 과학 및 기술의 광학 양자 도약 플래그십 프로그램 (Q-LEAP) JPMXS0120319794 및 JPMXS 0118068682 및 연구 대학 강화 프로젝트 (Nagoya University)

현재 Google, IBM 및 Alibaba와 같은 주요 IT 회사를 포함하여 전 세계의 다양한 연구 기관은 일관성 시간을 개선하려는 다양한 시도를하고 있지만, 많은 무료 바카라도 큐 비트는 전극 및 알루미늄 산화 필름으로 알루미늄 퇴적 된 필름을 사용한 조셉슨 접합을 사용하여 표면으로 뚜렷한 큐브를 사용하여 만들어집니다 이 비정질 알루미늄 필름은 2 단계 시스템 (TLS)이라는 많은 재료 결함을 함유하고 있으며 양자 중첩 상태의 지속성을 방지하는 디코 언어 인자로 알려져 있습니다

NBN/ALN/NBN NIBN (Niobium Niodide) (NBN)을 사용하여 전극 재료로서 전극 구조 및 방향 (방향)이 모두 상단 전극까지, 따라서 TLS에 의해 발생하는 탈수성이 감소 될 수있는 에피 택셜 성장의 특성을 갖는다 또한 알루미늄은 1K의 무료 바카라도 전이 온도를 가지고 있지만 NBN은 16K에서 높습니다 즉, 다양한 교란 (배선을 통해 침투하는 열 및 전자기 노이즈 등에 저항력이 높습니다)

그러나 우수한 특성에도 불구하고 질화 큐 비트의 개발은 질화 알루미늄 (ALN) 필름으로 인해 층으로 사용되어 지연되었습니다PiezoElectric (Piezo 특성)^*12때문입니다 일관성 시간을 약 001 마이크로 초로 제한합니다 이 문제를 해결하기 위해, 우리는 ALN 박막의 결정 구조에 초점을 맞추고 piezoelectricity를 나타내는 wurtzite 구조로부터 변화하기 위해 (100) 방향을 갖는 단결정 기판에서 NBN/ALN/NBN 접합의 에피 택셜 성장 방법을 사용합니다

전극 재료 인 NBN은 상대적으로 가깝게 결정 구조 및 격자 상수를 갖는 MGO 기판에서만 균일 한 결정 방향을 갖는 우수한 평탄도를 갖는 박막을 달성 할 수있다 지금까지, Superconducting qubits는 MGO 기판 상에 제작 된 NBN/ALN/NBN 에피 택셜 접합을 사용하여 평가되었으며, 05 마이크로 초의 일관성 시간이 관찰되었다 [1]

참조

[1] Y Nakamura, H Terai, K Inomata, T Yamamoto, W Qiu 및 Z Wang,“에피 팍스 성장 NBN/ALN/NBN JOSEPHSON JUTTIONS”로 구성된 무료 바카라도 수량”APPL 물리 레트 사람 99, 212502 (2011)
[2] K Makise, H Terai 및 Y Uzawa,“무료 바카라도 장치를위한 Si의 NBN/ALN/NBN/TIN 터널 접합부”, IEEE Trans 응용 한모금 26, 1100403 (2016)

*1 무료 바카라도 양자 비트

양자 컴퓨터에 사용되는 가장 작은 양자 정보의 유형) 및 무료 바카라도체로 구성된 양자 회로에서 0과 1의 중첩 상태를 깨닫는 큐 비트는 무료 바카라도 절정입니다[참조로 돌아 가기]

*2 에피 택셜 성장

에피 택시 성장은 박막 결정 성장 기술이며, 결정 표면이 기판에 정렬되어 배열되는 필름 형성 방법이다 NBN의 에피 택셜 성장에 대해 대략 동일한 격자 상수를 갖는 MGO 단일 결정으로 만든 기판을 사용하는 것이 일반적이지만, MGO 기판이 마이크로파 전달 동안 큰 유전체 손실을 갖기 때문에 qubit 제조에 사용하는 것은 바람직하지 않다 참고로, MGO의 격자 상수는 0421 nm이고 NBN의 경우 0446 nm입니다 고 저항 SI 기판의 경우, 유전체 손실은 1 배 더 작고 큐 비트 제조에 적합하지만, 격자 상수 (0542 nm)는 NBN의 상환과 유의하게 다르므로 Si 기판에서의 에피축 성장의 단점이 발생합니다 그러나, NICT는 Si 기판에서 NBN에 대한 에피 택셜 성장 기술을 개발했는데, 이는 완충 층으로서 MGO 기판과 거의 동일한 격자 상수이며,이를 큐 비트에 적용 할 수있게되었다[참조로 돌아 가기]

*3 Niobium Niodide (NBN)

무료 바카라도 전이 온도 미만의 온도에서 전기 저항이 0 인 무료 바카라도 상태를 나타내는 재료 중 하나 Niobium (NB) 및 Niobium Niobium (NBN)의 무료 바카라도 전이 온도는 각각 약 9K (-264 ℃) 및 16k (-257 ℃)이다 무료 바카라도 전이 온도가 높은 Niobium 질화물은 냉각을위한 전력이 적다는 이점이 있습니다[참조로 돌아 가기]

*4 Josephson Junction

2 개의 무료 바카라도 전극이 울트라 얇은 절연체 또는 정상 금속 박막으로 분리되는 구조를 갖는 장치를 조셉슨 요소라고하며 전기 저항 (제로 전압) (Josephson Current)을 갖는 전류는 슈퍼 대전 전극 사이의 터널 효과를 통해 흐릅니다 이 Josephson 전류의 크기는 두 무료 바카라도 전극의 거시적 상 (DC Josephson Effect)의 거시적 단계의 차이에 의해 결정되기 때문에, 반대로, 무료 바카라도 전극 사이의 거시적 위상은 조셉슨 요소를 통해 얼마나 많은 전류가 통과되는지에 의해 제어 될 수있다 무료 바카라도 큐 비트를 포함한 많은 무료 바카라도 장치는이 Josephson 장치를 사용하여 거시적 위상 제어의 기본 작동 원리를 사용합니다[참조로 돌아 가기]

*5 비정형

결정이 아님 그것은 고체 원자, 분자의 한 유형이며, 비정질 물질 또는 비정질 물질이라고도합니다[참조로 돌아 가기]

*6 에너지 이완 시간 (t₁) 및 위상 완화 시간 (t₂)

양자 비트 일관성 시간은 에너지 이완 시간을 포함합니다 (t₁) 및 위상 완화 시간 (t₂)라는 큐 비트의 역학을 특성화하는 두 가지 유형의 시간이 알려져 있습니다 에너지 이완 시간t₁π 펄스라고 불리는 마이크로파 펄스로 접지 상태 (| 0>)에서 qubit을 조사하여 얻은 여기 상태 (| 1>)가 에너지를 방출하고 접지 상태 | 0>로 이완되는 과정을 나타내는 시간입니다 quit가 여기 상태에서 발견 될 확률은 시간이 지남에 따라 기하 급수적으로 붕괴되고 시간 상수는t₁t₂위상 이완 시간 또는 측면 완화 시간이라고하며, | 0> 및 | 1> 상태의 중첩을 π/2 펄스라고하는 전자 레인지 펄스로 만들기 위해 걸리는 시간이며, 큐 비트가 양자 일관성을 잃을 때까지 위상은 완화됩니다[참조로 돌아 가기]

*7 일관성 시간

양자 중첩 상태의 수명을 말합니다 그것은 두 양자 감독 상태 사이에서 간섭이 계속되는 시간을 말하며, 간섭이 사라지면 양자가 중첩 된 상태가 손실되고 입자 상태는 하나로 결정됩니다[참조로 돌아 가기]

*8 양자 노드

양자 정보의 장거리 통신은 광섬유 광학 통신 기술과 함께 가능하며,이를 통해 양자 네트워크를 구성 할 수 있습니다 그러나 통신 거리가 증가함에 따라 광학 신호가 약해지고 양자 노이즈 등으로 인해 통신 속도가 제한됩니다 이 문제를 해결하기 위해, 양자 노드는이 네트워크의 릴레이 포인트 (노드)가 광학 신호의 양자 특성을 자유롭게 측정, 제어 및 저장할 수 있도록 허용합니다 양자 노드는 사용 목적에 따라 하나의 큐 비트로 구성된 양자 프로세서가 필요합니다[참조로 돌아 가기]

*9 Society 50

일본이 제안한 미래 사회의 개념이며, 사이버 공간 (가상 공간)과 물리적 공간 (실제 공간)을 높이 통합하는 시스템을 통해 경제 발전과 사회 문제를 해결하는 인간 중심 사회입니다
https : //www8caogojp/cstp/society5_0/ [참조로 돌아 가기]

*10 크리스탈 오리엔테이션

고체를 구성하는 단위 구조 (미세 결정)는 특정 방향으로 배열되어야합니다[참조로 돌아 가기]

*11 유전체 손실

고주파 신호 (GHZ 대역)가 유전체에 적용되면, 교류 전기장으로부터 지연된 위상으로 인해 생성 된 열 에너지가 발생하여 분극이 발생하여 고주파 신호의 전기장 에너지가 부분적으로 손실됩니다[참조로 돌아 가기]

*12 압전 (Piezo 특성)

Piezo 특성으로도 알려진이 특성은 재료에 압력이 적용될 때 표면 전하가 나타나서 압력에 비례하여 편광이 나타납니다 반대로, 전기장이 적용될 때 재료를 변형시키는 특성 (역 압전 효과)도 포함됩니다 큐 비트에서, 전기장이 농축 된 조셉슨 접합부의 일부에 Piezo 특성이있는 경우, 전기장과 기판 측의 결정 격자 사이의 커플 링은 기판 측에서의 포논 방출로 인해 에너지 소산을 유발하여 큐 비트의 일관성이 빠르게 파괴되게한다[참조로 돌아 가기]