Le niobium, un matériau clé pour l’avenir des qubits supraconducteurs

Longtemps relégué au second plan dans le domaine des qubits supraconducteurs, le niobium connaît aujourd’hui un regain d’intérêt notable. Des scientifiques, soutenus par l’initiative Q-NEXT, ont mis au point une méthode permettant de concevoir des qubits à base de niobium aux performances élevées, exploitant ainsi les qualités supérieures de ce matériau.

Le niobium, après avoir été mis de côté pendant près de 15 ans suite à des performances mitigées en tant que matériau de base pour les qubits, revient sur le devant de la scène technologique. Les qubits, éléments fondamentaux des dispositifs quantiques, dépendent de la supraconductivité pour traiter l’information. Malgré ses propriétés prometteuses en tant que supraconducteur, le niobium s’est avéré difficile à manipuler pour les composants centraux des qubits, ce qui lui a valu d’être délaissé.

Cependant, une équipe dirigée par David Schuster de l’Université de Stanford a démontré une méthode de création de qubits à base de niobium qui rivalisent avec les meilleurs de leur catégorie. « C’était une première tentative prometteuse, ayant ressuscité les jonctions de niobium… Avec la large portée opérationnelle des qubits à base de niobium, nous ouvrons un tout nouvel ensemble de capacités pour les futures technologies quantiques », a indiqué David Schuster.

Alexander Anferov, de la division des sciences physiques de l’Université de Chicago et l’un des principaux scientifiques de cette recherche, a affirmé : «Nous avons montré que le niobium est de nouveau pertinent, élargissant les possibilités de ce que nous pouvons faire avec les qubits». Leur travail, publié dans Physical Review Applied, a bénéficié du soutien de Q-NEXT, un centre de recherche national américain sur l’information quantique dirigé par le laboratoire national d’Argonne du département de l’Énergie des États-Unis (DOE).

En exploitant les caractéristiques exceptionnelles du niobium, les scientifiques pourront étendre les capacités des ordinateurs quantiques, des réseaux et des capteurs. Ces technologies, qui s’appuient sur la physique quantique pour traiter l’information, devraient surpasser leurs homologues traditionnels et améliorer des domaines aussi variés que la médecine, la finance et la communication.

Les avantages distinctifs du niobium

En matière de qubits supraconducteurs, l’aluminium a longtemps été privilégié. Les qubits supraconducteurs à base d’aluminium peuvent stocker des informations pendant un temps relativement long avant que les données ne se désintègrent inévitablement. Ces temps de cohérence plus longs signifient plus de temps pour traiter l’information.

Les temps de cohérence les plus longs pour un qubit supraconducteur à base d’aluminium sont de quelques centaines de millionièmes de seconde. En revanche, ces dernières années, les meilleurs qubits à base de niobium affichaient des temps de cohérence 100 fois plus courts. Malgré cette courte durée de vie des qubits, le niobium présentait des attraits : un qubit à base de niobium peut fonctionner à des températures plus élevées que son homologue en aluminium, nécessitant ainsi moins de refroidissement. Il peut également fonctionner sur une gamme de fréquences huit fois plus grande et une gamme de champs magnétiques 18 000 fois plus large par rapport aux qubits à base d’aluminium, élargissant ainsi les utilisations possibles pour la famille des qubits supraconducteurs.

Toutefois, la courte durée de cohérence a longtemps rendu le qubit à base de niobium peu attrayant. « Personne n’a vraiment fabriqué beaucoup de qubits à partir de jonctions de niobium car ils étaient limités par leur cohérence », a expliqué Alexander Anferov. « Mais notre groupe voulait créer un qubit qui pourrait fonctionner à des températures plus élevées et sur une plus grande gamme de fréquences – à 1 K et 100 gigahertz. Et pour ces deux propriétés, l’aluminium n’est pas suffisant. Nous avions besoin de quelque chose d’autre. »

L’équipe s’est donc penchée à nouveau sur le niobium.

Réduire les pertes énergétiques

Plus précisément, ils se sont intéressés à la jonction Josephson en niobium, qui est le cœur du traitement de l’information du qubit supraconducteur. Dans le traitement classique de l’information, les données sont représentées par des bits qui sont soit des 0, soit des 1. Dans le traitement quantique de l’information, un qubit est un mélange de 0 et de 1. L’information du qubit supraconducteur «vit» sous forme d’un mélange de 0 et de 1 à l’intérieur de la jonction. Plus la jonction peut maintenir l’information dans cet état mixte, meilleure est la jonction et le qubit.

La jonction Josephson typique est structurée comme un sandwich, composé d’une couche de matériau non conducteur prise entre deux couches de métal supraconducteur. Un conducteur est un matériau qui offre un passage facile pour le courant électrique. Un supraconducteur va plus loin : il transporte le courant électrique sans aucune résistance. L’énergie électromagnétique circule entre les couches extérieures de la jonction dans l’état quantique mixte.

La jonction Josephson en aluminium, fiable et typique, est composée de deux couches d’aluminium et d’une couche intermédiaire d’oxyde d’aluminium. Une jonction typique en niobium est composée de deux couches de niobium et d’une couche intermédiaire d’oxyde de niobium.

Le groupe de Schuster a découvert que la couche d’oxyde de niobium de la jonction drainait l’énergie nécessaire au maintien des états quantiques. Ils ont également identifié l’architecture de soutien des jonctions de niobium comme une grande source de perte d’énergie, provoquant l’extinction rapide de l’état quantique du qubit.

La percée de l’équipe a impliqué à la fois une nouvelle disposition de la jonction et une nouvelle technique de fabrication. La nouvelle disposition a fait appel à un ami familier : l’aluminium. Le design a éliminé l’oxyde de niobium qui absorbait l’énergie. Et au lieu de deux matériaux distincts, il en utilisait trois. Le résultat était une jonction tricouche à faible perte – niobium, aluminium, oxyde d’aluminium, aluminium, niobium.

« Nous avons adopté cette approche du meilleur des deux mondes », a ajouté Anferov. « La fine couche d’aluminium peut hériter des propriétés supraconductrices du niobium voisin. De cette façon, nous pouvons utiliser les propriétés chimiques éprouvées de l’aluminium et conserver les propriétés supraconductrices du niobium. »

La technique de fabrication du groupe impliquait de retirer l’échafaudage qui soutenait la jonction de niobium dans les schémas précédents. Ils ont trouvé un moyen de maintenir la structure de la jonction tout en se débarrassant du matériel superflu induisant des pertes qui entravait la cohérence dans les conceptions précédentes.

« Il s’avère que se débarrasser des déchets a aidé », a ajouté Alexander Anferov.

Naissance d’un nouveau qubit

Après avoir intégré leur nouvelle jonction dans des qubits supraconducteurs, le groupe de chercheurs a atteint un temps de cohérence de 62 millionièmes de seconde, soit 150 fois plus long que ses prédécesseurs à base de niobium les plus performants. Les qubits ont également affiché un facteur de qualité – un indice de la capacité d’un qubit à stocker de l’énergie – de 2,57 x 10⁵, soit une amélioration de 100 fois par rapport aux qubits à base de niobium précédents et compétitif avec les facteurs de qualité des qubits à base d’aluminium.

« Nous avons fabriqué cette jonction qui conserve toujours les belles propriétés du niobium, et nous avons amélioré les propriétés de perte de la jonction », a déclaré Alexander Anferov. « Nous pouvons désormais surpasser directement n’importe quel qubit en aluminium car l’aluminium est un matériau inférieur à bien des égards. J’ai maintenant un qubit qui ne meurt pas à des températures plus élevées, ce qui est le grand avantage. »

Les résultats devraient probablement rehausser la place du niobium dans la gamme des matériaux pour qubits supraconducteurs. « C’était une première tentative prometteuse, ayant ressuscité les jonctions de niobium », a conclu David Schuster. « Avec la large portée opérationnelle des qubits à base de niobium, nous ouvrons un tout nouvel ensemble de capacités pour les futures technologies quantiques. »

Légende illustration : La jonction Josephson est le cœur du traitement de l’information du qubit supraconducteur. La photo montre la jonction Josephson en niobium conçue par David Schuster de l’université de Stanford et son équipe. La conception de cette jonction a permis de ressusciter le niobium en tant qu’option viable pour le matériau de base du qubit. (Image d’Alexander Anferov/Installation de nanofabrication Pritzker de l’université de Chicago).

Article : « Improved coherence in optically defined niobium trilayer-junction qubits » – DOI: 10.1103/PhysRevApplied.21.024047