“量子信息技术”已成为未来科技的制高点，要制造“超导量子芯片”并将其推向应用，基础材料、器件工艺、芯片封装等都需要满足更高要求。材料科学姑苏实验室和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的熊康林、冯加贵等联合国内企业在《科学通报》发表了题为“超导量子电路材料”的评述文章，对相关问题进行了分析和阐述。
材料及核心表界面直接决定器件的最终性能。当前材料科学在超导量子芯片发展过程中的挑战和机遇并存。
相干时间是制约量子芯片性能的关键因素，如下图所示，制约相干时间的主要退相干来源大致可以分为四类：
比特上的电场与电偶极矩或电荷等相互作用，电路模型上表现为电容耦合，常见的介电损耗可以归到这类。
通过电感和环境中的磁偶极矩耦合，如磁性杂质、磁通漩涡、磁场噪声等。超导环路中的磁通噪声会引起比特能级浮动而发生相位退相干。
由于屏蔽不充分，宇宙射线、红外光照射到量子芯片，会破坏超导材料中库珀对，形成非平衡态粒子。准粒子在约瑟夫森结隧穿，会导致能量退相干。除了高能粒子，芯片上的声子、微波也可能产生准粒子。
芯片或者封装产生的寄生模式、谐振器的自发辐射增强，会引起能量退相干。例如，槽线模式会引起辐射损耗。
超导量子比特退相干机制
大部分已知的退相干通道都与材料微观结构有关，包括材料缺陷、杂质原子、准粒子等，但目前仅能利用二能级或谐振子模型进行现象分析，具体的原子结构或电子结构还需结合不同的材料表征方法进一步探索。
因此，针对超导量子比特退相干机制，超导量子芯片材料有以下几个潜在发展方向：
从微观结构上探明影响芯片性能的物理机制，在超高真空互联设备平台上，对退相干因素进行原子级表征和调控；
构建用于快速检验超导量子芯片材料性能的标准方法，用于扩展超导量子芯片材料的范围、探索新工艺方法；
完善和发展超导量子电路动力学理论，考虑材料和器件加工性，设计对退相干因素不敏感的全新量子芯片。
超导量子电路是一门跨领域学科，为计算机科学家、信息科学家、量子物理学家、材料科学家及芯片工程师等在量子计算领域进行跨学科合作开启了新征程。
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原文信息
熊康林, 冯加贵, 郑亚锐, 崔江煜, 翁文康, 张胜誉, 李顺峰, 杨辉. 超导量子电路材料. 科学通报, 2022, 67(2): 143–162, doi: 10.1360/TB-2021-0479.（“阅读原文”直达）
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