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在量子计算领域，结构无序材料中的低能双能级系统（TLS）缺陷是影响量子电路性能的关键因素。研究人员通过扫描门显微镜（SGM）对超导铌氮（NbN）谐振器进行研究，定位了单个 TLS 缺陷，揭示其微观特性。这一成果有助于理解 TLS 缺陷本质，为优化量子电路提供方向。
在神奇的量子世界里，量子计算被视为开启未来科技大门的钥匙，有着巨大的发展潜力。然而，结构无序材料中的低能双能级系统（TLS）缺陷，却如同隐藏在黑暗中的 “捣蛋鬼”，给量子计算的发展带来了重重阻碍。这些 TLS 缺陷不仅是量子电路噪声和退相干的主要来源，严重影响量子比特的稳定性和计算准确性，而且由于其能量尺度低，传统的材料科学技术很难对它们进行直接探测和研究，使得它们的起源和本质一直是个谜。
为了揭开 TLS 缺陷的神秘面纱，探索量子计算发展的新路径，研究人员开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
在这项研究中，研究人员采用了扫描门显微镜（SGM）技术，并将其与毫开尔文温度下的超导量子电路原位读出相结合。这种独特的技术组合，就像是给研究人员配备了一双 “超级慧眼”，让他们能够深入微观世界，定位单个 TLS 缺陷，直接揭示其微观本质。
研究人员首先搭建了一套实验装置。该装置主要由一个电化学蚀刻的钨针尖和一个石英音叉组成，针尖不仅可以用于原子力显微镜（AFM）成像，获取器件的形貌信息，还能连接电压源，施加局部电场来调节 TLS 的能量。整个装置被放置在一个不透光且磁屏蔽的空间内，并悬挂在干式稀释制冷机的混合腔板下方的弹簧上，以此来尽量减少振动的影响，确保实验环境的稳定性。
研究人员选择了一种由 40 纳米厚的 NbN 在蓝宝石上制成的 3λ/4 谐振器作为研究样本。这种谐振器中的叉指电容器能够集中电场，增强与 TLS 缺陷的耦合，便于检测。通过在样本上方不同位置扫描针尖，并在每个位置进行针尖电压扫描，同时利用外差检测测量方案监测与谐振器共振频率稍有偏移的固定频率freadout下的微波传输信号S21(freadout)。当 TLS 与谐振器达到共振时，就会引起S21(freadout)信号发生变化，研究人员从而确定 TLS 的位置。实验中发现，TLS 在扫描图像中呈现为环形，通过改变针尖电压，环形的直径会发生变化。
进一步，研究人员通过将针尖靠近样本表面，发现 TLS 的轮廓会从圆形变为椭圆形。经过模拟和分析，他们发现这种椭圆形的形状与 TLS 电偶极矩的取向密切相关。通过拟合椭圆轮廓，研究人员能够推断出 TLS 电偶极矩在平面内和平面外的取向角度。
在讨论部分，研究人员指出，他们的实验装置对靠近表面、与谐振器强耦合的 TLS 缺陷最为敏感，这些缺陷对器件相干性的影响最大。同时，实验中观察到的轮廓形状会受到多种因素的影响，如谐振器的品质因数、TLS 的线宽、AFM 针尖的尖锐度、样本的倾斜度以及针尖的机械振动等。未来的实验可以通过更好地控制这些因素，更精确地确定 TLS 电偶极矩的取向。此外，研究人员还提出了一些改进实验的方向，例如使用衬底背栅和在垂直方向施加额外可变电场，以实现对缺陷的三维定位；系统研究 TLS 浓度随高度的变化情况等。
这项研究具有重要意义。它首次实现了对单个 TLS 缺陷的直接定位和微观特性揭示，为理解 TLS 缺陷的本质提供了关键线索。通过确定 TLS 的位置和电偶极矩取向，结合材料结构信息，有助于揭示 TLS 的详细微观性质和化学起源，为最终减轻 TLS 缺陷对量子电路的影响提供了有针对性的策略，为量子计算的稳定发展奠定了重要基础。
研究人员在实验中主要运用了以下关键技术方法：
- 扫描门显微镜（SGM）技术：结合 AFM 成像功能，既能获取器件形貌，又能通过针尖施加电场调节 TLS 能量，用于定位 TLS 缺陷。
- 外差检测测量方案：在扫描过程中，精确监测微波传输信号S21(freadout)的变化，以此来判断 TLS 与谐振器是否达到共振，从而确定 TLS 的位置。
- 模拟计算：利用 COMSOL Multiphysics 软件计算样本表面的电场分布，结合相关公式计算S21，通过模拟 TLS 图像来推断 TLS 电偶极矩的取向。
总的来说，这项研究在量子计算领域取得了重要突破。研究人员通过创新的实验方法，成功解决了长期以来难以直接探测单个 TLS 缺陷的难题，为后续量子电路的优化和量子计算技术的发展提供了宝贵的理论依据和实践指导。未来，随着研究的深入和技术的改进，有望进一步揭示 TLS 缺陷的奥秘，推动量子计算走向更广阔的应用前景。
