美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的科学家已经证明，一种更适合大规模生产的量子比特结构可以与目前主导该领域的量子比特性能相当。通过一系列数学分析，科学家们为更简单的量子比特制造提供了路线图，从而可以稳健可靠地制造这些量子计算机构件。

这项研究是量子优势联合设计中心(C 2 QA) 的一部分，该中心是由布鲁克海文实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心，它建立在多年的科学合作基础之上，致力于提高可扩展量子计算机的量子比特性能。

最近，科学家一直在努力增加量子比特保留量子信息的时间，这种特性称为相干性，与量子比特连接的质量密切相关。

他们特别关注超导量子比特，其结构包括由绝缘体隔开的两个超导层。量子比特的这一部分被称为 SIS 结，即超导体-绝缘体-超导体。但可靠地制造这种三明治式结并不容易，尤其是大规模生产量子计算机所需的精度。

“制作 SIS 连接确实是一门艺术，”发表在《物理评论 A》上的论文的共同作者、布鲁克海文实验室美国能源部科学办公室用户设施功能纳米材料中心 (CFN) 主任查尔斯布莱克 (Charles Black) 说。

布莱克和 CFN 高级科学家、论文主要作者刘明照 (Mingzhao Liu) 自 2020 年 C 2 QA 成立以来就一直参与其中。在他们帮助量子科学家了解量子比特的材料科学以提高其相干性的同时，他们也对这种量子比特构建技术的可扩展性及其与制造大规模量子计算机的必然需求的兼容性产生了好奇。

因此，科学家们将注意力转向了量子比特架构，这种架构由两层超导结组成，通过一根细超导导线连接，而不是中间绝缘层。这种架构被称为收缩结，是平放的，而不是像三明治一样堆叠。重要的是，制造收缩结的工艺与半导体制造设施中的标准方法兼容。

“在我们的工作中，我们调查了这种架构变化的影响，”布莱克说。“我们的目标是了解切换到收缩连接的性能权衡。”

克服增加的电流和线性

最流行的超导量子比特架构在连接两个超导体的结点仅传输少量电流时效果最佳。虽然 SIS 夹层中的绝缘体几乎阻止了所有电流传输，但它足够薄，可以通过称为量子隧穿的机制允许少量电流传输。

“SIS 结构非常适合当今的超导量子比特，尽管制造起来有些棘手，”布莱克说。“但用收缩结构取代 SIS 有点违反直觉，因为收缩结构本质上会传导大量电流。”

通过分析，研究人员表明，可以将流经收缩结的电流降低到适合超导量子比特的水平。然而，这种方法需要较少的传统超导金属。

“如果我们使用铝、钽或铌，收缩线必须薄得不切实际，”刘解释说。“其他导电性较差的超导体可以让我们以实用的尺寸制造收缩结。”

然而，收缩连接的行为与 SIS 连接不同。因此，科学家还研究了这种结构变化的后果。

超导量子比特需要一定的非线性才能发挥作用，这就限制了量子比特只能在两个能级之间运行。超导体不会自然地表现出非线性行为——正是量子比特连接引入了这一关键特性。

超导收缩结本质上比久经考验的 SIS 结更具线性，这意味着它们不太适合量子比特架构。然而，科学家发现，收缩结的非线性可以通过选择超导材料和适当设计结的尺寸和形状来调整。

“我们对这项工作感到兴奋，因为它根据设备要求为材料科学家指明了具体目标，”刘解释说。例如，科学家们发现，对于运行频率在 5 到 10 千兆赫之间(这是当今电子产品的典型频率)的量子比特，需要在材料的导电能力(由其电阻决定)和结的非线性之间进行特定的权衡。

布莱克说：“某些材料特性组合对于以 5 千兆赫兹运行的量子比特来说根本不可行。”但是，如果材料符合布鲁克海文科学家提出的标准，那么具有收缩结的量子比特可以像具有 SIS 结的量子比特一样运行。

Liu 和 Black 目前正在与 C 2 QA 的同事合作，探索能够满足新论文中概述的规格的材料。超导过渡金属硅化物尤其引起了他们的注意，因为这些材料已经用于半导体制造。

“在这项研究中，我们证明了可以减轻收缩连接令人担忧的特性，”刘说。“所以，现在我们可以开始利用更简单的量子比特制造工艺带来的好处了。”

这项工作体现了 C 2 QA 的基本共同设计原则，刘和布莱克探索了一种可以满足量子计算需求并与当前电子制造能力相一致的量子比特架构。

“这类跨学科合作将使我们更接近实现可扩展的量子计算机，”布莱克说。“几乎很难相信人类已经实现了我们今天所拥有的量子计算机。我们很高兴能够为帮助 C 2 QA 实现其目标做出贡献。”