研究人员将缺陷与量子比特相干性丧失联系起来

量子信息科学已进入其第二阶段，实现了比以往更复杂的计算和传感技术。这一新时代要求材料科学取得进步，因为目前的限制较少源于器件设计，而越来越多地源于包括超导电路和二维材料在内的多个平台上定义不明确的材料属性。功能更强大的量子计算机现在的制约因素不再是设计，而是组成材料内部的不完善；这种“结构-相干性问题”影响着包括超导电路和二维材料在内的各种类型的硬件。

这些限制源于对原子级表面、界面和缺陷的理解不足，这些缺陷降低了所有固态平台的性能。解决这些基础材料问题对于创建更大、更可靠且能够超越当前能力的量子处理器至关重要。材料的不完善日益限制了量子计算硬件的进步，而在此之前，设计限制是主要障碍。

这一转变标志着“量子进化 2.0”，构建可扩展的多比特处理器需要更深入地了解固态平台（如超导电路和二维材料，即像乐高积木一样堆叠在一起的极薄层）内部的原子级缺陷。一个关键挑战是退相干，即信号清晰度的逐渐丧失，类似于收音机静电干扰的增加，影响着所有系统的性能。

虽然单比特和实现高精度操作方面已取得进展，但扩大这些器件的规模需要解决影响可重现性和集成性的基础材料问题。团队现在将详细阐述每个平台面临的具体挑战以及阻碍该领域的共同问题；新的表征工具可能在达到当前极限之前，开启提高相干性和可扩展性的解决方案。

揭示限制量子器件性能的原子缺陷

原子探针断层扫描被证明是揭示各种量子硬件中这些材料限制的核心技术。该技术向样品尖端发射脉冲激光；每个脉冲会溅射掉单个原子，这些原子通过电场投影到探测器上。通过记录数百万个离子的飞行时间和到达位置，它可以重建具有近原子分辨率的原子组成三维图，从而有效地创建材料结构的元素“指纹”。

这种方法不仅限于表面观察，还可以穿透层下，对通常产生缺陷的埋藏界面进行详细检查。目前的限制并非源于器件设计，而是源于超导电路、光子器件和二维异质结构所用材料中控制不力的表面和缺陷。

材料表面缺陷限制了多比特门保真度的进展

多比特门保真度已超过 9x%，这一阈值以前由于量子计算初始开发期间建立的相干控制限制而无法达到。综述表明，当前推进量子信息科学的限制源于定义不明确的材料属性；具体而言，不受控制的表面和原子身份未知的缺陷比单纯的器件工程挑战更具影响力。这种“结构-相干性问题”影响着不同的硬件平台，包括超导电路、光子器件以及新兴的二维材料，其中无序环境中的轻元素对退相干有显著贡献。

研究详细说明了直接沉积在蓝宝石上的钽如何表现出信号损耗增加，而铌在相同条件下生长时则没有这种有害影响。研究还对衬底材料进行了调查，发现硅衬底中的硼等受主掺杂剂会产生“双能级系统”池，从而主动削弱相干性，这凸显了对超纯基础材料的需求。

沉积技术的优化也被证明非常重要；与替代方法相比，高功率直流磁控溅射产生了更大的铌晶粒并提高了器件性能，甚至在沉积过程中将工艺气体从氩气改为氪气也能降低实现所需材料相所需的温度。这些发现表明，制造步骤强烈影响着除内在材料属性之外的缺陷图景，通常在尝试解决现有退相干路径的同时又创造了新的路径。