Enskilda defekter i supraledande kvantkretsar har för första gången kunnat avbildas tack vare forskning utförd av forskare vid National Physical Laboratory (NPL) i samarbete med Chalmers tekniska högskola och Royal Holloway University of London.
I en artikel publicerad i Science Advances har forskare vid NPL för första gången tagit ett avgörande steg i förståelsen av små materialdefekter som kallas tvånivåsystemdefekter (TLS) i supraledande kvantkretsar.
Denna betydande framsteg gör det möjligt att lokalisera, avbilda och så småningom mildra dessa defekter, vilket kan leda till stabila och tillförlitliga kvantdatorer som kan revolutionera olika områden inom cybersäkerhet, optimering, läkemedelsutveckling och ren energi.
En stor utmaning för kvantdatorer är dekohären av de ömtåliga kvanttillstånden. Dekohären uppstår när kvantinformation som lagras i datorn läcker ut och går förlorad för alltid. För kvantprocessorer som är byggda med hjälp av superledande kretsar – en av de mest lovande plattformarna som används av flera branschledare – är den främsta källan till dekohären dessa TLS-defekter som finns i kretsarna.
Även om forskare har känt till dessa defekter i över fem decennier har det aldrig varit möjligt att lokalisera enskilda defekter och studera hur var och en av dem bidrar till dekohären i en levande kvantkrets.
Nu har forskare vid NPL byggt ett nytt instrument som för första gången kan lokalisera och studera enskilda TLS-defekter. Instrumentet kombinerar avancerade mikroskopitekniker med levande kvantkretsar och fungerar i en ljustät, mörk kammare som kyls till strax över absolut nollpunkt för att minimera termiska fluktuationer.
Forskarna tror att detta nya verktyg kommer att hjälpa dem att studera dessa defekter för att först identifiera dem kemiskt och så småningom bli av med dem, vilket banar väg för att bygga tillförlitliga och stabila kvantdatorer som kan överträffa klassiska datorer.
Dr Riju Banerjee, seniorforskare vid NPL och en av huvudförfattarna till artikeln, säger: ”I åratal har man trott att TLS-defekter stör kvantkretsar. Det är anmärkningsvärt att vi äntligen kan visualisera de fluktuationer och dekohären som varje TLS-defekt orsakar när den interagerar med kretsen.
”De första data vi har samlat in med vårt nya instrument ser ut som om det finns en verklig bullrande vätska som skvalpar runt i kretsen, och enskilda defekter visas som ringar, precis som ringar från regndroppar på en damm.”
”Vi har nu ett nytt verktyg med vilket vi kan lära oss så mycket mer om dessa otäcka defekter som plågar kvantkretsar. Det kan nu hjälpa oss att hitta sätt att bli av med dessa defekter i framtiden”, säger Dr Sebastian de Graaf, huvudforskare vid NPL.
Mer information: Marius Hegedüs et al, In situ scanning gate imaging of individual quantum two-level system defects in live superconducting circuits, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adt8586
