国家信息通信技术研究所（NICT，主席：Hideyuki Tokuda）与国家先进工业科学技术研究所（主席：Kazuhiko Ishimura）和东海国立大学组织名古屋大学（主席：Seiichi Matsuo）合作，决定不在超导材料中使用铝超导量子位*1硅基板上外延生长*2成功开发了氮化物超导量子位世界上还是第一次。该量子位是超导体，超导转变温度为 16 K (-257 °C)氮化铌 (NbN)*3是电极材料，约瑟夫森路口*4是一种使用氮化铝（AlN）作为绝缘层并外延生长的全氮化物器件，是噪声源非晶态*5的氧化物。这次，通过在硅基板上实现这种新材料量子位，能量弛豫时间 (T1）*6是 16 微秒相弛豫时间 (T2）*6是 22 微秒相干时间*7获得了。这与传统氧化镁基底上的氮化物超导量子位的情况相比T1大约是32次，T2相当于大约44倍。
通过使用氮化铌作为超导体，可以构建运行更稳定的超导量子电路，并且它们可以用作量子运算的基本元件，例如量子计算机。量子节点*8预计。未来，我们计划致力于优化电路结构和制造工艺，并朝着进一步延长相干时间和实现大规模集成的方向推进研发。
请注意，该结果将于 2021 年 9 月 20 日星期一 18:00（日本时间）发表在由世界著名自然研究出版社出版的专业期刊上。
通讯材料
即将到来的未来社会社会50*9时，我们开始看到迄今为止支撑信息社会的半导体电路的性能改进的局限性，并且对“量子计算机”作为突破这些限制的新信息处理范式的期望越来越高。然而，量子计算机运行所必需的量子叠加态很容易被各种干扰（噪声）破坏，因此需要适当消除这些影响。
由于超导量子位是固态器件，因此它们具有出色的设计自由度、集成度和可扩展性。然而，它们容易受到周围各种干扰的影响，挑战在于如何延长相干时间，即量子叠加态的寿命。世界各地的研究机构正在做出各种努力来克服这个问题，但大多数都使用铝（Al）和氧化铝薄膜（Al2Ox)。然而，通常用作绝缘层的非晶态氧化铝是噪声源，因此必须找到一种可以解决此问题的材料。
NICT 提出了 16 K (-257 °C) 的超导转变温度，作为超导转变温度为 1 K (-272 °C) 的铝和非晶氧化铝的替代品。我们以超导转变温度为 30°F (°C) 的氮化铌 (NbN) 和通过外延生长方法结晶的氮化铝 (AlN) 绝缘膜为重点，开发了一种使用全氮化物 NbN/AlN/NbN 结的超导量子位，使用 NbN 作为电极材料，AlN 作为约瑟夫森结的绝缘层（详细信息请参阅补充材料）。
直到上电极晶体取向*10的NbN/AlN/NbN结（外延结）介电损耗*11较大，并且在 MgO 衬底上使用 NbN/AlN/NbN 结的超导量子位的相干时间仅为约 05 微秒 [1]。
图 1
(a) 微波谐振器和量子位的概念图
(b) 氮化物超导量子位电路的光学显微照片
(c) 氮化物超导量子位（部分）的电子显微照片和器件的横截面图
(d) 外延生长的氮化物约瑟夫森结的透射电子显微照片
图2 相干时间测量结果
(a) 能量弛豫时间T1=1825 µs 和 (b) 相位弛豫时间T2=2320μs。
NICT 此前已成功使用氮化钛 (TiN) 作为缓冲层在介电损耗较低的硅 (Si) 衬底上实现了 NbN/AlN/NbN 外延结 [2]。这次，我们使用在硅衬底上制造的 NbN/AlN/NbN 结设计、制造和评估了量子位电路（见图 1）。
超导量子位通过微波控制和读取其状态，因此实验中使用的基本电路具有量子位与微波谐振器耦合的结构，如图1(a)所示。这种基本电路是使用在 Si 衬底上外延生长的氮化物超导体制成的，如图 1(b) 所示。图1（c）显示了氮化物超导量子位的一部分的电子显微照片和器件的横截面图，图1（d）显示了外延生长的氮化物约瑟夫森结的透射电子显微照片。
在10 mK极低温度、热波动较小的情况下测量与量子位弱耦合的谐振器的微波传输特性，结果发现能量弛豫时间（T1)，相位弛豫时间(T2)，分别得到18微秒和23微秒，100次测量的平均值为T1=16 微秒，T2=22 微秒。这与 MgO 基底上的超导量子位进行了比较。T1大约32次，T2提高了约44倍。
这一结果具有重大意义，因为我们成功开发了氮化物超导量子位，它不使用传统的铝和氧化铝薄膜作为超导量子位的核心约瑟夫森结，并且通过外延生长具有更高的超导转变温度和优异的结晶度。特别是，通过在硅基板上外延生长氮化物超导量子位以降低介电损耗，在世界上首次成功观察到数十微秒量级的相干时间。这种氮化物超导量子位仍处于开发的早期阶段，我们相信通过优化量子位设计和制造工艺可以进一步改善相干时间。
氮化物量子位作为替代传统铝的新材料平台，有望加速量子信息处理领域的研发，有助于实现更加节能的信息处理，以及实现构建安全可靠的量子网络所需的量子节点。
未来，我们将着眼于未来大规模集成，致力于优化电路结构和制造工艺，进一步延长相干时间，提高器件特性的均匀性，打造超越传统铝基量子比特性能的量子硬件新平台。
已出版的杂志：通讯材料
DOI：101038/s43246-021-00204-4
网址：https://doiorg/101038/s43246-021-00204-4
论文标题：增强硅衬底上外延生长的全氮化物超导量子位的相干性
作者：Sunmi Kim、Hirotaka Terai、Taro Yamashita、Wei Qiu、Tomoko Fuse、Fumiki Yoshihara、Sahel Ashhab、Kunihiro Inomata、Kouichi Semba
这项研究得到了日本科学技术振兴机构 (JST) CREST“超导量子超材料的创造和控制”（JPMJCR1775，首席研究员：Koichi Senba）、科学研究补助金 (JP19H05615) 和 JST ERATO“中村宏观量子力学项目”的部分支持（JPMJER1601，研究主任：中村这项工作得到了文部科学省的光学和量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）JPMXS0120319794和JPMXS 0118068682以及研究型大学强化促进项目（名古屋大学）的支持。
目前，世界各地的研究机构正在做出各种尝试来提高相干时间，其中包括 Google、IBM 和阿里巴巴等大型 IT 公司。然而，大多数超导量子位是使用约瑟夫森结制造的，以铝蒸发膜作为电极，表面有氧化铝膜作为绝缘层。这种非晶氧化铝薄膜含有许多称为两能级系统（TLS）的材料缺陷，已知这些缺陷是阻止量子叠加态维持（退相干）的一个因素。
使用氮化铌（NbN）作为电极材料的NbN/AlN/NbN结具有外延生长的特征，其中晶体结构和取向直到上电极都相同，因此具有减少TLS引起的退相干的潜力。此外，铝的超导转变温度为1K，而NbN的超导转变温度更高，为16K，这意味着它对各种干扰（例如来自布线的热量和电磁噪声的侵入）具有很强的抵抗力，有望实现运行更稳定的量子比特。
然而，尽管氮化物量子位具有优异的性能，但其发展迟缓的原因在于用作绝缘层的氮化铝（AlN）薄膜压电（压电特性）*12将相干时间限制为约 001 微秒。为了解决这个问题，我们着眼于AlN薄膜的晶体结构，采用在(100)取向单晶衬底上外延生长NbN/AlN/NbN结的方法，将晶体结构从表现出压电性的纤锌矿结构改变为不具有压电性的立方晶体结构。
NbN作为电极材料，只能在MgO基板上形成具有优异平坦度和均匀晶体取向的薄膜，其具有相对接近的晶体结构和晶格常数。到目前为止，已经使用在MgO基板上制造的NbN/AlN/NbN外延结来评估超导量子位，并观察到05微秒的相干时间[1]。
图 1（转载）
(a) 微波谐振器和量子位的概念图，
(b) 氮化物超导量子位电路的光学显微照片，
(c) 氮化物超导量子位（部分）的电子显微照片和器件的横截面图，
(d) 外延生长的氮化物约瑟夫森结的透射电子显微照片
参考文献
[1] Y Nakamura、H Terai、K Inomata、T Yamamoto、W Qiu 和 Z Wang，“由外延生长的 NbN/AlN/NbN 约瑟夫森结组成的超导量子位”，Appl。物理。莱特。 99, 212502 (2011)
[2] K Makise、H Terai 和 Y Uzawa，“用于超导器件的 Si (100) 衬底上的 NbN/AlN/NbN/TiN 隧道结”，IEEE Trans。应用。高级。 26, 1100403 (2016)