Cél: A feladat különböző szilárdtest-alapú kvantumbitek létrehozása. Ezeket a mai nanotechnológia sztenderd fabrikációs technikáival hozzuk létre, ami ígéretessé teszi őket a skálázhatóság szempontjából. A kvantumbitet hordozhatja egy mesterséges atomban (kvantumpöttyben) csapdázott elektron spinje, vagy egy szupravezető áramkörben cirkuláló áram (szupravezető qubit). Az ún. Andrejev-kvantumbit esetében egy szupravezető alagút-átmenetben folyó áram iránya hordozza az információt, amit az ún. Andrejev kétállapotú rendszerrel, vagy Andrejev kötött állapotokkal lehet jellemezni. Ezen qubitek manipulálása és kiolvasása gigahertzes szupravezető rezonátorok lehetséges mK-es hőmérsékleten. A mesterséges atomokat illetve szupravezető alagút (Josephson) átmeneteket InAs nanopálcákban illetve grafén alapú nanostruktúrákban tervezzük létrehozni.
Eddigi előrehaladás: 2020. közepére beszereztük a kvantumbitek létrehozásához szükséges eszközöket, és előzetes vizsgálatokat végeztünk ezen kvantumbitek építőkövein: nanopálcán alapuló kvantumpöttyökön, grafén szupravezető átmeneteken, ill. nagyfrekvenciás koplanáris hullámvezető rezonátorokon.
I. Mérőrendszerek fejlesztése
Alacsony hőmérsékleti szűrők
Ahhoz, hogy a szupravezető nanoáramköröket kvantumbithez tudjuk használni, ezeket extrém alacsony hőmérsékletre, ~15 mK-re kell hűteni. Ehhez kriosztátot (dilution fridge) használunk, aminek fémszerkezete jó árnyékolást biztosít. Az effektív hőmérsékletet azonban megnövelheti az az elektromágneses zaj, amit a mérésekhez használt vezetékezés szállít a mintához. Ennek elkerülése végett a vezetéken terjedő jelet szűrjük, és a vezetékeket termalizáljuk. Erre a célra kétféle jelszűrőt fejlesztettünk: koaxiális geometriájú, impedancia-illesztett szűrőket a nagyfrekvenciás vonalak szűrésére (1.c ábra), és nyomtatott áramkörön megvalósított, meander alakú szűrőket a DC vezetékek zajcsillapítására (1.a-b ábrák). Mindkét megvalósításban a szűrés elsősorban elnyelésen alapul, amit az erősen veszteséges anyaggal való kitöltés okoz.
Hidegfej
A kriosztátba épített szupravezető elektromágnessel nagy, akár 9 T nagyságú mágneses teret is elő tudunk állítani. Egyes kísérletek a minta síkjára merőleges irányú mágneses teret igényelnek, ilyen pl. a Hall-jelenség mérése, míg más kísérletek pedig síkbeli mágneses teret. Hogy mindkét igényt kielégítsük, olyan mintatartó fejet készítettünk, amin a minta kétféleképpen rögzíthető, újrahuzalozás nélkül. Az új hidegfejen (2. ábra) helyet kapott egy második alacsony hőmérsékletű zajszűrő fokozat. Itt felületszerelt reaktív és induktív elemekkel valósítottuk meg a szűrést. A levágási frekvencia az egyes kísérletek igényeinek megfelelően, a minta impedanciáját figyelembe véve egyszerűen módosítható.
Szupravezető vékonyréteg és planáris rezonátorok fejlesztése
A szupravezető-félvezető kvantumbitek kiolvasását a korszerű kvantumszámítógépekben magas jósági tényezőjű mikrohullámú rezonátorok segítségével végzik. A kiolvasandó kvantumbit és a rezonátor között csatolást kapcsolnak be (Jaynes-Cummings), melynek hatására a rezonanciafrekvencia a kvantumbit állapotától függően kicsit eltolódik. Ezt az eltolódást lehet kimérni jól kontrollált frekvenciájú áramimpulzusok beküldésével, és azok visszaverődésének vagy áthaladásának mérésével (diszperzív kiolvasás). A megfelelő jel-zaj arány eléréséhez kis vonalszélességű, azaz magas jósági tényezőjű rezonátor szükséges. Erre a célra nióbium-titán-nitrid (NbTiN) vékonyrétegből fejlesztettünk planáris szupravezető rezonátort. A magas jósági tényező eléréséhez optimalizáltuk a vékonyréteg leválasztási paramétereit, hogy megfelelő sztöchiometriai összetételt és kristályszerkezetet kapjunk.
A 3.a ábrán látható egy ilyen, tápvonalhoz csatolt negyedhullámú rezonátor szilícium hordozón. A mintakészítés a hordozó alapos tisztításával kezdődik. Ezután reaktív vákuumporlasztással leválasztjuk a kb. 80 nm vastag NbTiN réteget a hordozóra. A hordozót teljes mértékben fedő rétegből elektronsugaras litográfia és plazmamarás segítségével alakítjuk ki a koplanáris tápvezetékeket.
Mérőrendszer mikrohullámú mérésekhez
Az elkészített rezonátorok karakterizálásához alacsony hőmérsékleti mikrohullámú mintatartót készítettünk. A szilícium hordozón lévő rezonátort a 3.d ábrán látható módon nyomtatott áramköri kártyára huzalozzuk. A kártya két SMA csatlakozóját a mintatartó koaxiális kábeleihez kapcsoljuk, és folyékony hélium segítségével lehűtjük. A mikrohullámú transzmissziót Rohde&Schwarz ZNB20 típusú vektor-hálózat analizátorral mérjük. A 3.b ábra normált transzmissziós görbéket mutat 4,34 K és 5,25 K közötti hőmérsékleteken. A rezonanciafrekvenciától távol a transzmisszió egységnyi, a ~2.65 GHz-es rezonanciánál lecsökken. A mérési adatokból függvény illesztéssel határozzuk meg az elkészített rezonátorok belső jósági tényezőjét, ez 8000-12000-nek adódott, ami 220-330 kHz vonalszélességnek felel meg. Ezek a rezonátorok alkalmasak arra, hogy kvantumbitekhez csatolva azok állapotát kiolvassuk. Várakozásaink szerint mK hőmérsékletre hűtve a rezonátorok még magasabb jósági tényezővel rendelkeznek.
II. Mérési eredmények kvantumbitek építőkövein
Topologikusan védett Weyl-pontok
Kvantuminformatikai alkalmazásokhoz fontos a kvantumbiteket az információvesztést okozó külső zavaroktól megvédeni, amire az egyik intenzíven kutatott irányvonal az ún. topologikus védelem létrehozása. Ehhez a kvantumbiteket olyan szabadsági fokokban kell tárolni, amik valamilyen (esetlegesen szimmetriával összefüggő) geometriai okok miatt védettek a külső perturbációktól. Kutatásaink során ilyen topológiai struktúrát tártunk fel, ún. mágneses Weyl-pontokat, félvezető nanopálcákon kialakított mesterséges atomokból álló rendszeren.
Kísérleteinkben a kvantumbitekhez használt mesterséges atomokat vizsgáltunk, melyeket félvezető InAs nanopálcákon alakítottunk ki (4. ábra). Co-tunneling spektroszkópiát alkalmazva térképeztük fel ezen erős spin-pálya kölcsönhatással bíró rendszerek mágneses fázisdiagramjának komplex struktúráit. A mágneses tér irányát és nagyságát változtatva két olyan beállítást találtunk, ahol az alapállapot degenerált. Megmutattuk, hogy a kísérleti elrendezés mikroszkópikus részleteitől függetlenül létezni kell ilyen degenerációknak, melyek a Weyl-félfémeknél ismert sávszerkezeti degenerációkhoz hasonlóan topológikusan védettek. Eredményeinket a Nature Communications Physicsben publikáltuk.
Shiba-állapotok nanopálca alapú rendszerekben
Az elmúlt években számos újszerű kvantumbit-koncepció született, melyek szupravezetők környezetében létrehozott alacsony energiájú állapotokon alapulnak. Ezek egyrészt ötvözni tudják a spin-alapú és szupravezető-alapú kvantumbitek előnyeit, másrészt jól ellenállnak a kvantumbitet kitörlő környezeti hatásoknak. Az egyik ilyen állapot az ún. Yu-Shiba-Rusinov (YSR) állapot, ami az Andrejev-állapotok megfelelője erős Coulomb-kölcsönhatás esetén (a szupravezető gaphez hasonlítva). Ilyen YSR állapotokat láncszerűen egymáshoz csatolva robusztus kvantuminformáció-tároló egységet lehetne létrehozni. Csatolásukat mindeddig csak nagyon precíz módszerekkel lehetett elérni: ferromágneses atomok körül nagyon kicsi a YSR-állapotok kiterjedése, ezért azokat szorosan egymás mellé kell pozícionálni, hogy egymással kölcsönhassanak.
Csoportunk a Yu-Shiba-Rusinov állapotokat nanopálca alapú mesterséges atomokban hozta létre, a nanopálca szupravezetőhöz kapcsolásával. Elsőként sikerült kimérni az így létrehozott állapot térbeli kiterjedését, ami meglepően nagynak, 50-200 nanométeresnek adódott, ami lényegesen nagyobb az atomok körüli YSR-állapotoknál. Ez megnyitja a lehetőséget YSR-láncok létrehozására sztenderd nanotechnológiai eljárásokkal. A Bázeli Egyetemmel közös tanulmányunk a Nature Communications-ben jelent meg.
Szupravezető-grafén átmenetek
Napjaink egyik legígéretesebb elektronikai anyaga a grafén, ami a szén egyetlen atomi réteg vastagságú, kétdimenziós változata. Kvantuminformatikai alkalmazásokhoz a grafén fizikai tulajdonságai tervezetten hangolhatók, ha szendvicsszerű multirétegben egyéb kétdimenziós kristályokhoz csatolják. Így pl. a grafénra WSe2 kristályt helyezve spin-pálya kölcsönhatást lehet benne indukálni, mely fontos spintronikai alkalmazásokhoz. Szupravezetés jelenlétében így topologikus szupravezetés is kialakulhat, ami ún. topologikus kvantumbitek alapját képezheti, melyek külső zavaró hatások ellen védettek.
A 6. ábrán egy grafén/WSe2 struktúrából készített Josepshon-átmeneten végzett szupravezető áram mérése látható. A szupravezető áramot egy kapuelekródával lehet hangolni. A metszeten egy adott kapufeszültségnél látható a differenciális vezetőképesség, a nulla ellenállású résszel a közepén.
