基于氮化钛高频相位滑移位量子比特的实现与高温操作研究

《Nature Communications》：Operation of a high-frequency, phase-slip qubit

本刊推荐：为解决铝基约瑟夫森结非线性源在高频、高温量子计算中的局限，研究人员开展了基于氮化钛相位滑移位量子比特的研究。通过制备18纳米宽的超导窄缩结构，实现了量子比特在零磁通偏置点17GHz高频工作，测得寿命>60μs，并在300mK高温下保持性能。该工作为高能隙超导体在量子信息处理中的应用开辟了新途径。

　　

在量子计算领域，超导量子比特作为最有前景的物理实现平台之一，长期以来依赖铝基约瑟夫森结（JJ）作为非线性元件。然而，这种传统方案面临着工作频率受限、操作温度低（需低于100mK）以及寄生电容引入杂散模式等问题。更令人困扰的是，铝的超导能隙较小，严重限制了量子比特向更高频率和更高温度环境拓展的可能性。面对这些挑战，基于量子相位滑移（QPS）的缩结构超导器件应运而生，它有望通过高能隙超导体实现高频高温操作，但多年来受限于制备工艺困难和相干时间过短，始终未能实现有效突破。

近日，由Cheeranjeev Purmessur、Kaicheung Chow、Bernard van Heck和Angela Kou组成的研究团队在《Nature Communications》发表研究成果，成功演示了基于氮化钛（TiN）的高频相位滑移位量子比特。该团队通过精准制备18纳米宽的TiN缩结构作为QPS结，与高动能电感回路并联形成量子电路。

在零磁通偏置点（Φ_ext=0）这一退相干免疫位置，量子比特频率达到17GHz，主要由回路电感能量E_L=34.4GHz决定，而对缩结构几何参数的敏感性显著降低。研究人员不仅实现了量子态的读取和控制，还观测到超过60微秒的寿命，更重要的是，在300mK的高温环境下仍保持良好性能，这为突破稀释制冷机温度限制迈出了关键一步。

关键技术方法包括：采用电子束光刻和反应离子刻蚀制备5纳米厚TiN薄膜器件；通过电感耦合读取谐振器实现量子态非破坏性测量；利用双音光谱技术标定量子比特能级结构；结合拉比振荡和时间域测量分析相干特性；通过变温实验评估高温操作性能。

研究结果

量子比特读取与控制

通过双音光谱测量，研究人员观察到|g?-|e?和|g?-|f?能级跃迁与理论模型高度吻合，验证了哈密顿量描述的准确性。其中相位滑移率参数E_s,1=1.03GHz，E_s,2=0.05GHz。单发读取保真度达到96%，拉比振荡频率与驱动幅度呈线性关系，证明该量子比特可作为良好的两能级系统进行操控。

量子比特弛豫与相干性

在零磁通点测得弛豫时间T₁=60μs，比此前报道的相位滑移位量子比特提升三个数量级。拉姆齐相干时间T_2R≈17ns远小于T₁，表明存在强退相干机制。通过分析磁通依赖性，发现主要退相干源包括磁通噪声（幅度A_Φ=1.41×10^-4Φ₀/√Hz）、阿哈罗诺夫-卡西米尔噪声和|f?态热激发。值得注意的是，即便施加回波脉冲，T_2E也未显著改善，提示可能存在高频噪声影响。

高温操作性能

随着温度升至385mK，T₁在300mK以上仍保持20μs，T_2R基本不变。通过玻尔兹曼分布分析激发态布居数，发现量子比特温度始终高于混音室温度100mK以上，表明热化过程存在障碍。研究人员通过建模拟合，认为弛豫时间下降与准粒子密度增加导致的电感品质因子Q_ind退化相关。

研究结论与讨论

本研究成功实现了基于TiN缩结构的相位滑移位量子比特的全功能演示，证明超导缩结构可作为可行的非线性源用于量子相干器件。零磁通操作点的选择使量子比特频率由电感能量主导，降低了对缩结构参数的敏感性。虽然相干时间较短，但弛豫时间已与传统铝基超导量子比特相当。高温操作能力显著降低了对制冷技术的需求，为量子处理器温度限制提供了解决方案。

该工作的重要意义在于：首先，QPS结本质上表现为非线性电容（在本器件中可达53GHz），为构建光子数依赖非线性振荡器开辟了新途径；其次，TiN材料的高品质因子特性有望实现比AlO_x结更长的弛豫时间；最后，采用更高转变温度的超导薄膜可能实现4K以上操作的量子比特。未来通过优化制备工艺、降低电荷噪声敏感性，有望进一步提升相干性能，使相位滑移位量子比特成为量子信息处理的有力竞争平台。