量子材料新突破 SQMS研究揭示杂质如何影响超导量子位退相干

在量子计算领域，超导量子位（qubit）的相干时间是决定其性能的核心指标之一。即使微小的材料杂质或缺陷，也可能导致能量损耗和信息失真，即所谓的「退相干」。最近，美国费米实验室领导的超导量子材料与系统中心（SQMS）的一项新研究，为探索量子位中的杂质开辟了道路，并提出了减少退相干的有效策略，相关成果发表于《材料科学》领域的重要期刊。

超导量子位通常基于铝、铌等超导薄膜，工作温度接近绝对零度。理想情况下，量子位应处于纯量子态，但现实材料中的无序、界面效应和杂质会引入两能级系统（TLS），这些微观缺陷会与量子位耦合，导致能量弛豫和退相干。SQMS团队利用高分辨率扫描 SQUID 显微镜和太赫兹光谱技术，首次在量子位器件中实现了对纳米级杂质的空间成像与能级表征。他们发现，某些杂质来源于基底与超导膜界面处的非晶氧化物，以及金属薄膜中的氢化物沉淀。

研究人员进一步通过可控实验证实，这些杂质位置与退相干热点高度重合。例如，在铝基量子位中，一个尺寸仅 5 纳米的氧化铝团簇可使量子位寿命降低近一个数量级。结合第一性原理计算，团队提出杂质诱发的局域振动模式会与量子位的微波激发产生共振吸收，从而加速量子态衰减。

为了抑制这种效应，SQMS提出了一种「杂质工程」方法：先通过低能离子辐照选择性钝化有害缺陷，再采用原子层沉积（ALD）生长无针孔的纯化覆盖层，以屏蔽界面杂质的偶极耦合。实验证明，经过该处理的量子位在 10 毫开温度下，能量弛豫时间从 30 微秒提升到 120 微秒，退相干速率降低了约 70%。

该研究不仅强调了材料纯度和界面控制对量子计算的重要性，也为可扩展的超导量子处理器制定了一套通用缺陷诊断与修复流程。正如论文通讯作者所说：「我们需要不只关注量子位设计，更要直面真实的材料科学问题。杂质的发现让我们能够在退相干发生之前采取行动。」下一步，团队将通过束流辅助表面改性，针对铌、钽等其他超导体系开拓更为普适的低损耗量子位制备技术。