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为解决超导材料无序性与量子比特相干性之间的关联尚不明确，难以指导无序系统设计的问题，研究人员开展了含不同无序度的旋节分解钛铝氮（TixAl1?xN）薄膜制成的磁通 onium 量子比特的研究，发现磁通噪声主导退相干且与无序性强相关，该研究为超导体内退相干机制及材料设计提供指导。
在量子信息飞速发展的时代，超导量子比特作为重要的信息载体，备受关注。然而，目前人们对于超导材料的无序性如何影响量子比特的相干性，这一关键问题的理解还存在诸多不足。多数相关研究聚焦于超导体表面、边缘或金属 - 绝缘体边界等区域，这些区域的电磁场分布特殊，材料性质受制备过程影响大，难以精确量化，导致研究成果难以直接用于指导无序系统的设计。为了深入探索这一领域，来自粤港澳大湾区量子科学中心、中关村实验室等多个国内研究机构的研究人员展开了系统研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，通过一系列复杂的微纳加工技术制备实验器件，包括在蓝宝石衬底上溅射TixAl1?xN薄膜、光刻图案化、退火处理、沉积 TiN 薄膜等步骤；其次，利用低温稀释制冷机结合标准外差测量装置，在极低温环境下对量子比特进行表征；最后，通过对量子比特噪声光谱的测量和分析，提取出介电损耗和1/fa磁通噪声等关键参数。
下面来详细了解一下研究结果：
- 器件结构和量子比特测量：研究人员设计的量子比特，其电感元件由超导TixAl1?xN长导线替代。通过一系列复杂工艺制备出器件后，在低温稀释制冷机中进行测量。测量量子比特光谱随外部磁通Φext的变化，从而得到充电能量EC、电感能量EL和约瑟夫森能量EJ等参数。实验发现，在磁通失谐点（Φext=Φ0/2）附近，量子比特的能量弛豫时间T1和相位弛豫时间T2与材料性质密切相关，且在该点处T1会受到抑制。
- 相干性特性分析：量子比特的退相干可以用弛豫时间T1、相位弛豫时间T2和纯相位弛豫时间T?=(T2?2/T1)?1来表征。研究发现，量子比特的退相干主要由介电损耗和1/fa磁通噪声这两个因素主导。通过建立模型拟合实验数据，能够提取出介电损耗角正切tanδC、1/fa磁通噪声幅度AΦ和磁通噪声指数α等参数。
- 调节材料无序性：研究人员通过改变TixAl1?xN薄膜的厚度、化学成分和退火条件来调节材料的无序性，并用 10K 时的正常纵向电阻率ρxx来衡量。实验发现，20nm 厚的薄膜中，动能电感Lk与材料无序性呈现预期的线性关系；而 10nm 厚的薄膜由于无序度增加，超导转变温度降低，导致该关系出现偏差。此外，还计算了 Ioffe - Regel 参数kFl，用于进一步研究材料的微观性质。
- 无序性与量子比特相干性的相关性：研究发现，在弱无序极限下，量子比特的介电损耗对材料性质和几何变化不敏感；在强无序极限下，介电损耗会增大，可能源于薄膜中渗流减少和出现有害的两能级系统缺陷。对于1/fa磁通噪声，其指数α在 0.8 - 1.2 之间，且噪声幅度AΦ随动能电感增加而增大。通过将噪声幅度转换为材料的本征性质，发现现象学自旋缺陷的面密度σ与ρxx近似满足σ∝ρxx3，或等效为σ∝(kFl)?3。
研究结论和讨论部分表明，无序的TixAl1?xN在实现稳定介电损耗方面具有优势，但存在较大的磁通噪声或电感损耗。对于磁通不敏感的应用，如准电荷0?π量子比特，引入材料无序是构建高阻抗电路的可行方法；而对于磁通可调的器件，如磁通 onium 量子比特，从高相干性考虑，需要进一步降低无序性，并在量子比特参数和磁通噪声敏感性之间进行权衡。此外，现象学自旋缺陷密度似乎仅取决于无序性，这一发现为理解超导相转变机制和减少缺陷密度提供了新的视角。然而，目前尚不清楚具体哪种随机分布的缺陷是产生噪声自旋的根源，未来还需要对不同成分和制备条件的材料进行更广泛的研究，以确定这种相关性是否具有普遍性。总之，这项研究为超导体内退相干机制提供了新的见解，对超导材料设计和优化具有重要的指导意义，有望推动量子信息领域的进一步发展。
