量子计算谐振器中的表面粗糙度及其影响分析

 

一项研究研究了表面粗糙度如何影响超导谐振器（量子计算系统中的关键部件）的性能。

该研究重点关注硅衬底上的铌（Nb）薄膜谐振器，分析了微观表面特征如何影响微波损耗和内部质量因子，这些发现为提高超导电路的一致性和性能提供了有用的见解，这对于构建可扩展的量子器件非常重要。

超导电路使用铝、铌和钽等材料来构建谐振器、波导和约瑟夫森结。铌因其相对较高的临界温度（Tc≈9.25K）、大超导能隙（1.41meV）、低动感和光滑的表面光洁度（约1nmRMS）。这些特性有助于增加相干时间并提高栅极保真度。

尽管有这些优点，但要实现始终如一的高内气仍然很困难。两级系统（TLS）缺陷、晶界涡流捕获以及针孔或边缘粗糙度引起的准粒子损失等损失机制可能会降低性能。

尽管表面清洁和钝化降低了与TLS相关的损耗，但Q我同一芯片上的跨设备仍然是扩展量子技术的挑战。

研究表面粗糙度的影响

研究人员研究了在中等光子数（108和1010）和适度升高的温度（~1.2K），这与实际量子计算应用相关。

他们使用物理气相沉积（PVD）在高电阻率硅片（>5kΩ·cm）上制造了共面波导（CPW）谐振器，以沉积具有优选晶体取向的Nb薄膜。

比较了两种表面处理：

原子力显微镜（AFM）表明，氧等离子体通过蚀刻特征并将针孔深度从4nm减小到1.5nm来降低表面粗糙度。X射线光电子能谱（XPS）和透射电子显微镜（TEM）证实，氧等离子体的天然氧化物厚度增加了~2.0nm，而不会损坏晶体结构。

临界温度Tc从9.02K（NbR）至8.98K（NbS），与较厚的氧化层一致。更光滑的表面在低温下也表现出较低的电阻，表明表面散射减少。

使用矢量网络分析仪在1.2K下测量谐振器，以评估微波传输并确定Q我.测试了来自不同晶圆的多个芯片，以验证结果的一致性。

结果：质量因子和损失机制

实验表明，在较低频率（4-5GHz）下，NbS谐振器达到Q我值几乎是粗糙NbR器件的五倍。然而，这种差异在较小的面积较高的频率（5-6GHz）下减小，其中Q我无论表面粗糙度如何，值都变得相似。

这种频率和面积相关的行为表明，微波引起的准粒子损耗受表面粗糙度的显着影响。总微波损耗被建模为温度依赖性TLS电阻R的组合TLS的，准粒子电阻RQP，残余电阻R分辨率由于表面缺陷。虽然TLS损耗在毫开尔文温度和低功率水平下占主导地位，但在1.2K工作温度下，准粒子损耗变得更加显著。

该研究还强调了制造清洁度和过程控制的重要性。粉尘颗粒和过程引起的缺陷会降低功能谐振器的良率。通过优化室温沉积，研究人员实现了超过90%的产量，超过了之前需要高温生长的结果。

对量子器件制造的影响

研究结果强调了表面粗糙度和氧化物成分在最大限度地减少微波引起的损耗和确保谐振器性能一致方面的关键作用。更光滑的表面和更少的针孔减少了有损界面处的电场相互作用，从而提高了Q我并减少同一芯片上谐振器之间的变化。

这些改进对于扩展超导量子电路非常重要，在超导量子电路中，大型量子比特和谐振器阵列必须保持均匀的相干性和耦合。氧等离子体处理在不影响晶体结构或超导临界温度的情况下提高了表面光滑度和氧化物质量。

在整个芯片上实现统一的谐振器质量可以集成更多量子比特，提高系统可靠性并增强性能，这是推进量子处理器的关键要求。这项研究支持开发可靠且质量均匀的谐振器，这是量子纠错和密码学、优化和仿真等领域复杂算法的实现所必需的。