研究人员使用一种新工具来帮助改进商业生产的量子计算电路中的关键组件。来自美国能源部(DOE)艾姆斯国家实验室的科学家团队与超导量子材料和系统中心(SQMS)合作，该中心是由费米实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心，使用最初在艾姆斯实验室开发的太赫兹SNOM显微镜来研究纳米约瑟夫森结(JJ)的界面和连接性。
JJ是超导量子计算机的关键部件，由SQMS的合作伙伴Rigetti Computing制造。JJ在非常低的低温下有效地产生一个两级系统，产生一个量子比特。他们用太赫兹显微镜获得的图像显示，纳米结中有一个缺陷边界，导致电导率中断，并对产生量子计算所需的长相干时间构成挑战。
量子计算机由量子比特或量子位组成。量子比特的功能类似于数字计算机中的比特。位是计算机可以处理和存储的最小的数据单位。比特是二进制的，这意味着它们只有两种可能的存在状态，要么是0，要么是1。然而，量子比特在量子状态下同时以0和1的形式存在，这使得量子计算机能够比目前常用的计算机更快地处理更多的信息。
量子计算机中更好的量子比特在于理解纳米约瑟夫森结(JJ)的功能，这是该团队研究的组件。来自艾姆斯实验室的科学家、研究小组的负责人王继刚解释说，这种JJ促进了低温下电路中的超电流流动，这使得量子比特以量子态存在成为可能。重要的是，这种流动保持均匀和非耗散，以保持系统的连贯。
“量子电路中复杂的结构组件经常导致局部电场集中，从而导致散射和能量耗散，最终导致退相干，”王解释说。“因此，当前量子计算业务的问题是如何减轻退相干。”
Wang和他的团队使用之前在Ames实验室开发的太赫兹扫描近场光学显微镜(SNOM)来拍摄电磁场耦合下JJ的图像。这种显微镜使用一种特殊的尖端，将显微镜的分辨率提高到纳米级，几乎不接触或以任何方式影响结组件。利用这台显微镜，研究小组记录了JJ的图像。如果结组件制作得当，所产生的图像将显示一个一致的电场横跨组件。然而，研究小组发现，连接的两个部分之间存在脱节(见图)。
王解释说，这一发现之所以重要，有两个原因。首先，它确定了JJ制造中的一个问题，Rigetti现在可以解决这个问题，从而提高他们的量子电路质量。其次，证明了Ames实验室开发的太赫兹显微镜是高通量筛选量子电路元件的有用工具。
“这项研究表明，这种太赫兹SNOM是一种理想的工具，我们可以用它来可视化非均匀电场分布，”王说。“这使得对纳米结有效边界的非破坏性和非接触式识别成为可能。它在纳米尺度上非常精确。”
量子电路通常在极低的低温下运行。王的团队之前证明了太赫兹SNOM显微镜可以在极低的温度下工作，“所以这项研究的最终目标是继续推动这种极低温太赫兹SNOM机器能够达到超低温，以便能够实时地在一个功能量子比特的真实空间中跟踪超导隧道，”他说。
Wang强调，如果Ames实验室不是SQMS社区的成员，这个项目的进展是不可能的。“与他们合作，作为一个社区推动事情向前发展，这真的是一种荣幸。要真正解决这种非常复杂的技术和科学问题需要一个村庄的努力。拥有这样一支多才多艺的球队真的非常非常重要。”“我也很高兴，作为艾姆斯实验室的一部分，我们以一种重要的方式为SQMS中心和国家量子计划做出了贡献。”
这项研究发表在《通讯物理学》杂志上。
