日本的情报通信研究机构（NICT）10月15日宣布，该机构与NTT、东北大学研究生院工学研究科以及名古屋大学合作，成功开发出了在零磁场下运行的新型超导磁通量子比特。这是一种嵌入了被称为“π结”的特殊约瑟夫森结的磁通量子比特，区别于既往需要线圈等辅助电路产生外部磁场的超导磁通量子比特，其特点是无需外部磁场即可运行。
图1 ：(a)本次开发的新型超导磁通量子比特光学显微照片。约瑟夫森结（JJ）、π结、通孔部分分别以紫色、黄色、蓝色的伪彩色表示，右侧的电路结构图显示拥有3个约瑟夫森结（紫色×）和π结（黄色*）；(b)全氮化物超导体构成的约瑟夫森结的结构；(c)在氮化铌（NbN）基电极上形成的π结结构（供图：国立研究开发法人情报通信研究机构（NICT）、NTT、东北大学、名古屋大学）
磁通量子比特的特点是使用了3个约瑟夫森结，因而具备较高的非调和性，并能够缓解频率冲突问题，但为了实现量子比特相干时间（保持量子状态的时间）达到最长的最佳运行状态，必须通过外部线圈向超导回路施加半个磁通量子的磁通。
这种操作正是导致产生来自外部线圈的低频噪声的主要原因，由此必须为每个量子比特设置施加磁场的控制线，这已成为磁通量子比特实现大规模集成道路上的一大难题。
作为解决该问题的方案，东北大学的山下太郎教授（研究当时为名古屋大学研究生院工学研究科副教授）等人提出了“将π结集成到磁通量子比特中”的方案。
π结是一种嵌入了铁磁体的约瑟夫森结，能够在无需从外部施加磁场的情况下产生180度(π)的相位差，从而自动偏置到最佳运行点，因此它作为一种易于抑制外部噪声、简化电路、实现量子比特集成的方法具有较好的发展前景。
此次，NICT等4方机构将使用了在硅基板上生长晶体的氮化铌制备的氮化物超导量子比特技术与π结技术，制造出了具有π结的磁通子比特，并全球首次证实了在零磁场状态下的最佳运行，同时成功测量了其相干时间。
此前已有德国卡尔斯鲁厄理工学院报告的由Nb/AlOx/Nb约瑟夫森结和Nb/CuNi/Nb结构成的相位量子比特，并实现了4纳秒的相干时间，但其他尝试同样使用π结的磁通量子比特未能实现量子比特运行，且未能测量出相干时间。
本次研究采用了比CuNi更能维持稳定π态的PdNi，在NbN电极上形成了π结。此外，研究团队将NICT开发的NbN/AlN/NbN约瑟夫森结，与NTT开发的用于三维谐振器的磁通量子比特最佳设计相结合，制造了可在零磁场下最佳运行的新型超导磁通量子比特。
接着，研究团队使用NTT的长寿命量子比特测量系统对其进行了测量，测量结果确认了零磁场为最佳运行点，验证了无需外部磁场的超导相位反转功能，并观测到了1.45微秒的相干时间。
这一结果相较于既往嵌入π结的相位量子比特，相干时间提高了360倍。另一方面，这也是全球首次揭示了现行的NbN/PdNi/NbN叠层结构π结存在着相干时间需要的课题。
未来，NICT等将致力于进一步延长相干时间，为将来实现大规模集成提高元件特性的均匀性而优化电路结构和制造工艺，力争打造性能超越既往铝基量子比特的量子硬件新平台。
如果能够开发出在零磁场下运行且保持更长相干时间的π结磁通子比特，那么该物质就有可能成为高性能量子元件的关键要素，并有望推动元件在实现量子计算机小型化过程中的应用。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Communications Materials
论文：Superconducting flux qubit with ferromagnetic Josephson π-junction operating at zero magnetic field
DOI:10.1038/s43246-024-00659-1
